KR20070058432A

KR20070058432A - 표면적 전체를 활용하는 광전지 모듈

Info

Publication number: KR20070058432A
Application number: KR1020077000884A
Authority: KR
Inventors: 이고르 르보비치 스크리아빈; 마이클 제이. 선드만; 가빈 에드먼드 툴로치; 조지 파니; 실비아 메들린 툴로치
Original assignee: 다이솔 엘티디
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2007-06-08
Also published as: EP1782442A4; EP1782442A1; WO2005124802A1; CA2570718C; DE602005021646D1; AU2005255501B2; JP2008503035A; EP1782442B1; ZA200700276B; AU2005255501A1; KR101025551B1; CA2570718A1; US7649140B2; CN1969350B; CN1969350A; ATE470230T1; US20090000655A1; ES2349269T3

Abstract

본 발명은 광전지 모듈에 관한 것으로서, 상기 광전지 모듈은 닫혀진 공간에 서로 병렬관계로 배열된 세 개 또는 그 이상의 기판들(1, 2, 3)을 구비한다. 상기 기판은, 제1 및 제2 면들을 구비하는 중앙 기판(2)과, 내부 면과 외부 면을 구비하되 상기 내부 면과 외부 면은 나란히 배열되도록 구성된 제1 외부 기판(1)과, 내부 면과 외부 면을 구비하되 제2 기판의 내부 면과 상기 중앙 기판의 제2 면이 나란히 배열되도록 구성된 제2 외부 기판(3)을 포함하며, 상기 제1 외부 기판(1)과 상기 중앙 기판(2)의 상기 제1 면 사이에 전면 광전지 장치들(A, B, C)이 형성되고, 연결 및/또는 분리 수단(11)이 상기 전면 장치들의 적어도 한 쌍 사이에 배치되고, 상기 제2 외부 기판(3)과 상기 중앙 기판(2)의 상기 제2 면 사이에 후면 광전지 장치들(D, E)이 형성된다. 한편, 상기 전면 및 후면 광전지 장치들은 전면 장치들(A, B, C)의 연결 및 분리 수단이 후면 장치들(D, E)의 액티브 광전지 영역들과 대향하도록 하는 방식으로 상쇄형으로 구성됨을 특징으로 한다.

광전지(photovoltaic) 모듈, 기판, 전면/후면 광전지 장치, 액티브 영역, 태 양광 스펙트럼, 나노 염료감응형 태양전지

Description

표면적 전체를 활용하는 광전지 모듈{PHOTOVOLTAIC MODULE WITH FULL UTILIZATION OF SURFACE AREA}

본 발명은 다중-셀 광전지 장치(photovoltaic module) 및 결합형 에너지 생성 및 저장 장치(Combined Energy Generation & Storage)에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 나노 염료감응형 태양전지(Nano Dye Solar Cells: NDSC) 및 NDSC 기술에 기초한 광전지 모듈에 관한 것이다.

전자기 복사 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 다양한 광전지 장치들이 이용 가능하다. 이들에는 통상적인 솔리드-스테이트(solid-state) 장치들(M. Green의 Third Generation Photovoltaics: concepts for high efficiency at low cost, The Electrochemical Society Proceedings, Vol. 2001-10, p. 3-18 참조)과 더 최근에 개발된 NDSC 장치들이 포함된다.

이와 관련된 형태의 NDSC 장치의 예로서는 다음의 미국특허들에서 개시되고 있다:

- 미국특허 제4,927,721호, 명칭: Photoelectrochemical cell, 발명자: Michael Graetzel 및 Paul Liska, 1990년.

- 미국특허 제5,525,440호, 명칭: Method of manufacture of photo-electrochemical cell and a cell made by this method, 발명자: Andreas Kay, Michael Graetzel 및 Brian O'Regan, 1996년.

- 미국특허 제6,297,900호, 명칭: Electrophotochromic Smart Windows and Methods, 발명자: G.E. Tulloch 및 I.L. Skryabin, 1997년.

- 미국특허 제6,555,741호, 명칭: Methods to implement interconnects in multi-cell regenerative photovoltaic photoelectrochemical devices, 발명자: J.A. Hopkins, G. Phani, 및 I. L. Skryabin, 1999년.

- 미국특허 제6,652,904호, 명칭: Methods to manufacture single and multi-cell regenerative photoelectrochemical devices, 발명자: J. A. Hipkins, D. Vittorio, 및 G. Phani, 1999년.

이러한 CEGS 장치들의 예는 또한 국제특허출원 PCT/AU2004/000689호(명칭: Nanophotocapacitor, 발명자: S.M. Tulloch 및 I.L. Skryabin, 2004-5-21)에 개시되고 있다.

상기한 특허에 개시된 형태와 같은 많은 박막 PV 장치들 및 특히 NDSC 장치들은 과도한 비용을 들이지 않고도 두 개의 넓은 면적의 기판들 간에 박판(laminate) 형태의 구성으로 제조될 수가 있다. 전형적인 하나의 구성으로는 두 개의 유리 기판들로 이루어지고, 그 각각은 기판의 내부 표면에 대해 전기적으로 도전성의 코팅을 활용하는 것이 있다. 또 다른 전형적인 구성으로는 기판의 내부 면에 대해 전기적으로 도전성의 코팅을 활용하는 유리 또는 폴리머로 된 제1 기판과 폴리머 또는 금속으로 된 제2 기판을 구비하는 것이 있다. 어떤 구성에서는 상기 제2 폴리머 기판의 내면은 전기적으로 도전성의 코팅으로 입혀지기도 하며, 반면에 다른 구성에서는 상기 제2 폴리머 기판은, 카본과 같은, 인접한 전기적으로 도전성의 물질을 활용하여 폴리머로 된 얇은 판의 박층 조직(foil laminate)으로 이루어진다. 또한 어떤 다른 구성에서는 외부 표면은 박층 조직의 금속 필름일 수도 있으며, 다른 구성에서는 외부 표면이 금속으로 코팅될 수도 있다. 다른 구성으로는 상기한 기판은 금속 또는 금속성의 망상 조직으로 이루어질 수도 있고 또는 그 기판의 내부 표면은 금속으로 코팅될 수도 있다. 상기한 제1 및 제2 기판들 중의 적어도 하나는, 부착된 투명한 전기적으로 도전성의 TEC 코팅과 같이, 가시 광선에 대해 본질적으로 투명하다.

일반적으로 광전지 장치는 액티브 광전지 영역들과, 이러한 영역들을 전기적으로 연결하기 위한 연결 수단과, 그리고 이들 영역들을 분리하기 위한 분리 수단을 구비한다.

특히, NDSC 장치의 액티브 광전지 영역들은 하나의 도전성 코팅에 부착된 나노입자 염료감응형 광대역 갭 반도체(예를 들어, "티타니아(titania)"로 알려진 티타늄 디옥사이드)의 활동 전극과, 도전성 물질에 또는 다른 도전성 코팅에 부착된 촉매층으로 전형적으로 이루어진 카운터 전극과, 그리고 상기 활동 전극과 카운터 전극 사이에 배치된 레독스 매개체(redox mediator)를 함유하는 전해질을 포함하고 있다.

수많은 NDSC 모듈의 설계는 개별적인 NDSC 장치들의 크기를 증가시킴으로써 더욱 편리하게 될 것이다. 그러나 금속 산화물 또는 금속성 망상조직을 통상 포함하는 이러한 투명성 전기 도체들(TEC)은 보통의 금속 도체들과 비교할 때 상대적으로 높은 저항률을 갖는데, 이로써 넓은 면적의 NDSC 장치에 대해서는 의도한 것보다 더 높은 저항 손실로 귀결되고, 이것은 특히 고 조도(high illumination) 환경에서는 NDSC 장치의 효율성에 큰 영향을 미치게 될 것이다.

종래 기술에서 기술된 하나의 구성에 있어서는 이러한 저항 손실은 버스 바, 패드, 그리드 라인들과 같은 형태의 전기적으로 도전성의 물질(ECM)로 된 패턴, 또는 투명성 전도체(TEC) 코팅 상의 어떤 다른 패턴, 또는 표면에 박아넣거나(inlaid) 또는 표면에 형성된 도전성 망상조직(mesh) 또는 와이어들과 같은 연결 수단의 이용에 의해 감소한다. 상기한 전기적 도전성 수단은 광전지 모듈의 표면의 임의의 일부 면적을 점유함으로써 NDSC의 액티브 광전지 영역을 위해 이용가능한 실효 면적을 감소시키게 된다. 이것은 해당 장치에 입사하는 태양광 복사의 일부만이 그의 액티브 광전 영역들에 투사되도록 하기 때문에 NDSC 장치의 전반적인 효율의 감소를 초래하게 된다.

종래 기술에서 기술되는 또 다른 구성에 있어서는 이러한 손실의 감소는 두 개 또는 그 이상의 상대적으로 작은 분리된 NDSC 장치들을 형성하고 이들을 하나의 NDSC 모듈 내에서 내부적으로 연결함으로써 이루어진다. 그러한 분리된 NDSC 장치들 사이의 분리장치들 및/또는 내부 연결장치들은 다시 한번 광전지 모듈 면적의 일정 부분을 점유하게 됨으로써 전체 NDSC 장치의 전반적인 효율성을 떨어뜨리게 된다.

따라서 본 발명의 목적은 종래 기술에서의 전술한 것과 같은 단점들을 극복할 수 있는 광전지(photovoltaic) 모듈을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 NDSC 모듈에 있어 그의 표면적을 100% 효과적으로 활용하도록 하는 광전지 모듈을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 NDSC 모듈에 향상된 전체적 광 변환 효율을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 광전지 모듈에 결합된 형태의 에너지 저장 및 생성 특성을 제공함에 있다.

본 발명의 구현은, 연결 및 분리 수단들이 광전지 모듈의 일정 영역을 점유할지라도, 이들 수단들(그리고 반도체 전극의 어떤 NDSC 설계에서는 전극 그 자체)에 의해 점유되는 영역은 부분적으로 광학적으로 투명하게 형성되고, 따라서 직접적으로 또는 이러한 영역을 통해 굴절 또는 반사에 의해 전달되는 태양광 복사가 상기한 연결 및 분리 수단들 후방에 배치된 또 다른 광전지 장치에 의해 성공적으로 전기로 변환될 수 있다는 개념에 기초하고 있다.

광의의 견지에서는 본 발명은 적어도 두 개의 분리된 또는 내부적으로 연결된 광전지 장치들을 포함하는 세로로 연결된 탠덤 형상의 광전지 모듈을 제공하는데, 이들은 전면 장치의 상호연결 또는 분리 수단이 후방 장치의 액티브 광전 영역에 마주하도록 하는 방식으로 서로 앞뒤에 배치된다.

본 발명은 다음의 구성요소를 포함하는 광전지 장치를 제공한다:

- 닫혀진 공간에 서로 병렬관계로 배열된 세 개 또는 그 이상의 기판들을 구비하고, 상기 기판은:

- 제1 및 제2 면들을 구비하는 중앙 기판, 또는 제1 및 제2 면들을 보이도록 서로 뒤를 마주하도록 배열된 두 개의 기판들과,

- 내부 면과 외부 면을 구비하되, 상기 내부 면과 외부 면은 나란히 배열되도록 구성된 제1 외부 기판과,

- 내부 면과 외부 면을 구비하되, 제2 기판의 내부 면과 상기 제2 면이 나란히 배열되도록 구성된 제2 외부 기판을 포함하며,

- 상기 제1 외부 기판과 상기 중앙 기판의 상기 제1 면 사이에 전면 광전지 장치들이 형성되고,

- 상기 제2 외부 기판과 상기 중앙 기판의 상기 제2 면 사이에 후면 광전지 장치들이 형성되고,

- 상기 전면 및 후면 광전지 장치들은 전면 장치들의 연결 및 분리 수단이 후면 장치들의 액티브 광전지 영역들과 적어도 부분적으로 대향하도록 하는 방식으로 상쇄하도록 배열된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 광전지 모듈은,

- 상기 전면 광전지 장치들은 전면 2-단자 파워 소스를 형성하도록 내부적으로 연결되고,

- 상기 후면 광전지 장치들은 후면 2-단자 파워 소스를 형성하도록 내부적으로 연결된다.

본 발명의 이러한 측면에 따른 광전지 모듈은 네 개의 전기적 터미널들(4-단자 모듈)을 구비한다.

본 출원인은 결합 형태의 2-단자 파워 소스를 형성하기 위해 전면 및 후면 광전지 장치들 간에 내부적 연결장치를 제공하는 것이 유익하다는 것을 발견하였다. 본 발명은 상기한 결합형 2-단자 파워 소스 내에 전면 및 후면 장치 간의 병렬, 직렬 및 혼합형 직병렬 연결 수단을 제공한다.

일 실시예에 있어서는 전면 및 후면 NDSC 장치들 간에 이러한 전기적 접속을 가능하게 하기 위하여 내부 기판(들)에 구멍(들)이 형성된다. 하나 또는 다수의 전도체들(예를 들면, 핀, 와이어, 땜납, 전도성 페이스트)이 상기한 각각의 구멍(들)에 삽입되고 그리고/또는 상기 구멍들은 전기적으로 전도성 물질 또는 비전도성 물질(예를 들면, 세라믹 유약(glaze)과 같은 물질)로써 충진되는데, 이렇게 함으로써 상기 전도체(들)와 상기 전기적 전도성 물질 사이에 전기적 연결을 형성하고, 또한 상기 전도체(들)과 상기 기판들 사이에 접합을 형성하고 그 구명(들)을 밀봉하게 된다.

본 발명의 또 다른 측면에 있어서는, 본 발명은 전면 및 후면 광전지 장치들 간의 전기적 통로에서 다이오드 요소의 혼입을 제공한다. 상기 다이오드 요소는 전면 및 후면 장치들 모두에 전기적으로 접속되고, 또한 상기 전면 장치들에 의해 생성되는 전기 에너지가 후면 장치들에서 소비될 수 없도록 하는 방식으로 형성되며, 이로써 후면 장치들이 불충분한 전압을 발생할 때 전력의 손실을 방지하도록 한다. 상기 다이오드 요소는 적어도 두 개의 층으로 이루어지는데, 그것의 전기적 특성은 이러한 두 개의 층들 사이의 인터페이스상에서 정류형 p-n 접합을 형성하도록 조절된다.

일 실시예에 있어서, 상기한 2-층 구성의 다이오드 층들은 반도체 산화물에 기초하여 형성된다. 이들 두 개의 층들 중의 하나는 도너(donor)로 도핑되고, 또 다른 하나는 엑셉터형 도펀트(acceptor dopant)로 도핑된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 반도체 산화물은 염료감응형 나노입자 반도체 층의 형성을 위해 NDSC 장치에서 사용되는 것과 같은 물질이다.

본 발명은 특히 NDSC 장치들의 활용법을 제공한다. 본 발명의 일 측면에서는 상기 광전지 모듈은 다른 광전지 장치들(예를 들면, 박막 Si-기저의 장치들)과 결합하여 NDSC 장치들을 구비하고 있다. 또 다른 측면에 따르면, 전면 및 후면 광전지 장치들은 NDSC 장치들이다.

만일 단지 전면(또는 후면) 장치들만이 NDSC 장치라면, 이러한 NDSC 장치들에서의 염료는 다른 장치들의 흡수 특성(예로서, Si p-n 접합의 흡수 특성)에 광학적으로 상보형으로 되도록 선택된다.

후면 및 전면부 광전지 장치들 모두가 NDSC 일 경우, 본 발명은 NDSC 모듈을 제공한다. 본 발명의 이러한 측면에 따른 일 실시예에 있어서, 상기한 후면부 장치에 활용되는 광 감응제(염료)는 전면부 장치들에 활용되는 광 감응제에 광학적으로 상보형이다. 이것은 전면 및 후면부 염료들이 서로 중첩되었을 때 그들의 광학적 흡수 기능들이 태양광 스펙트럼의 더 실체적인 부분을 포함하도록 하는 방식으로 선택된다는 것을 의미한다. 일 실시예에 있어서, 상기 전면부 염료는 스펙트럼의 청색 부분에 있어 우선적으로 흡수하는 반면에 스펙트럼의 적색 부분에 대해서는 본질적으로 투명한데, 그 적색 부분은 후면부 염료에 의해 성공적으로 흡수된다.

한 종류의 전기적 연결장치들에 있어서 전면 NDSC 장치들은 후면 NDSC 장치들과 병렬로 연결된다. 이 경우, 상기 전면 및 후면 장치들은 동일한 전압 하에서 동작할 것이다. 상기 전면 장치가 태양광 복사의 더 많은 부분을 받아들이고 따라서 더 높은 전류를 생성하는 반면에, 후면 장치의 전압이 전면 장치들의 그것과 동일함을 보장하기 위하여, 본 발명은 후면부 장치들의 전해액 구성에 대한 조절을 제공한다. 이러한 조절은 레독스 결합(redox couple) 성분들의 상대적 농도를 변화함으로써, 솔벤트의 화학적 조성을 변하게 함으로써, 또는 전해질에 대한 첨가제의 성분조성 또는 농도를 변화함으로써 수행될 수가 있다. 이 실시예에 있어서, 본 발명은 두 개의 다른 전해질을 제공한다: 즉, 하나는 전면 장치를 위한 것이고, 다른 하나는 후면 장치를 위한 것인데, 그 반면에 동일한 전해질의 이용을 배제하지는 않되, 반도체의 특성 및/또는 셀 두께와 같은 다른 특성들을 부분적으로 가감한다. 이러한 전해질들은, 상기 제1 외부 기판의 외면 또는 제1 외부 기판의 다음 보호 면으로 입사하는 태양광 복사 하에 있는 전면 NDSC 장치의 전압이 상기 전면 장치와 그의 상호연결 및 분리 수단들에 의해 감쇄된 태양광을 받는 후면장치의 전압과 같도록(또는 근접하도록) 하는 방식으로 선택된다.

다른 실시예에서는 후면 장치의 액티브 광전지 영역들의 폭은 그 후면 장치의 전체 영역이 태양광 복사에 의해 본질적으로 균일하게 조사되는 것을 보장하도록 조절된다. 이것은 상기 후면 및 전면부 장치들이 직렬로 접속될 때 특히 중요하고, 따라서 전면부 장치들에서의 전류는 후면부 장치들에서의 전류와 같다.

상기 제1 외부 기판과 내부 기판이 본질적으로 투명하게 형성됨은 필수적이다. 본 발명은 광전지 모듈을 위한 기판으로서 활용될 수 있는 광범위한 물질들을 제공한다. 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 기판은 유연한 물질로 제조된다. 전형적으로, 상기 제1 외부 기판과 중앙 기판은 플라스틱 재료로 이루어지는 반면에, 제3 기판은 금속성 또는 금속/폴리머 박층(metal/polymer laminate)로 이루어진다. 어떤 실시예들에 있어서는 본 발명은 세 개의 기판들 중의 어느 것에 금속성 망상 조직을 이용하는 것을 제공하지만, 또 다른 바람직한 구현에 있어서는 제1 외부 기판과 중앙 기판에서만 금속성 망상 조직이 이용된다.

본 발명의 일 측면에 따른 또 다른 실시예에서는 적어도 하나의 기판이 유리 재질로 이루어진다.

다른 측면에 있어서는, 본 발명은 NDSC 장치 내에 에너지 저장수단을 제공한다. NDSC 장치들은 에너지를 저장하는 것이 가능하다. 이러한 에너지 저장 특성은 티타니아 층 및/또는 전해질의 변경 및 탄소 입자를 첨가함으로써 향상될 수가 있다. 보통 이러한 변경은 에너지 저장능력의 향상으로 귀결된다.

일 실시예에 있어서, 상기 전면부 장치들은 주로 광전지 장치들인 반면에 후면부 장치들은 주로 에너지 저장 장치들이다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 전면부 장치들은 광전지 장치들인 반면에 후면부 장치들은 에너지 저장 장치들(예를 들면, 커패시터, 배터리 등)이다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 전면부 및 후면부 NDSC 장치들은 다음 적층의 장치 층들과 전기적 연결장치들(예를 들면, TEC 층, 연결 수단)의 하나의 세트로 하나의 기판 위에 제조되는데, 이로써 단결정(monolithic) 직접회로 구성을 제공하게 된다.

이상 본 발명의 본질을 기술하였는바, 어떤 다른 실시예들이 본 발명의 영역 내에 존재할지도 모르지만, 본 발명의 여러 가지의 특정한 예들을 이하에서 첨부한 도면을 참조하여 단지 예시적인 방식으로 설명할 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예를 포함하는 4-단자 NDSC 장치의 개략적인 단면도이다.

도 2a는 본 발명의 제2 실시예를 포함하는 2-단자 PV 장치의 물리적 구성(축척 없이)을 예시하는 개략적인 단면도이다.

도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따라 제조된 PV 장치의 등가 전기회로도이다.

도 3a는 본 발명의 제3 실시예를 포함하는 2-단자 PV 장치의 물리적 구성(축척 없이)을 예시하는 개략적인 단면도이다.

도 3b는 본 발명의 제3 실시예에 따라 제조된 PV 장치의 등가 전기회로도이다.

도 1을 참조하면, 제1 외부 기판(1), 중앙 기판(2) 및 제2 외부 기판(3) 사이에 본 발명의 장치가 형성된다. 제1 및 제2 외부 기판들의 내부 면과 중앙 기판의 양 표면들은 투명 전기 도체(Transparent Electronic Conductor: TEC)(4)로 이루어진 층에 의해 코팅된다. 상기 TEC 층은 불소로 도프된 주석 산화막(tin oxide)을 포함한다. 각각의 TEC 코팅은 레이저 그루빙(홈 파기)에 의해 만들어지는 분리 라인(5)들에 의해 독립된 전기적으로 고립된 영역들로 분리된다. 분리된 NDSC 장치들은 이러한 영역들의 마주하는 쌍들 사이에, 즉 상기한 제1 외부 기판의 내면과 중앙 기판의 제1 표면 사이에(전면 장치), 그리고 상기 제2 외부 기판의 내면과 중앙 기판의 제2 표면 사이에(후면 장치) 형성된다. 각각의 이들 장치들은 나노-입자 염료-감응형(dye-sensitised) 티타니아 층(활동 전극)(6), 백금-기저의(Pt-based) 촉매층(카운터 전극)(7), 및 전해질(8)을 포함한다. 전면 장치들은 연결 수단(11)(폴리머 매트릭스에 삽입된 텅스텐 전도성 입자들)에 의해 직렬로 연결되어 전면부 쌍의 전기적 단자들을 형성하고, 반면에 양의 전면 단자는 상기 중앙 기판의 제1 표면상에 형성되고 음의 전면 단자는 상기 제1 외부 기판의 내부 면에 형성된다. 상기 장치들은 분리 수단(12)에 의해 외부 환경으로부터 밀폐된다.

마찬가지로, 상기한 후면 장치들은 제2 후면 쌍의 전기적 단자들을 형성하도록 직렬로 접속되는데, 양의 후면 단자는 제2 외부 기판의 내면 상에 배치되고 또한 음의 후면 단자는 중앙 기판의 제2 표면 상에 배치된다.

상기 후면 장치들의 활동 전극들(액티브 광전지 영역)은 전면 장치들의 연결 수단 후방에 배치된다.

제1 외부 기판의 외면으로 입사하는 태양광의 일부는 전면부 장치들의 활동 전극들에 의해 흡수되어 전면 쌍의 단자들에서 이용 가능한 전기로 변환된다. 태양광의 나머지 부분은 중앙부 기판을 통해 통과하고, 약간의 손실을 입은 후에 후면부 쌍의 단자들에서 이용가능한 전기를 생성하는 후면부 장치들의 활동 전극에 의해 흡수된다.

도 2a를 참조하면, 상기 제2 실시예의 장치는 제1 실시예의 장치에 유사하게 형성된다. 외부 단자들의 수를 줄이기 위해 내부 전기적 연결부(들)(9)가 중앙 기판을 통해 형성된다. 부가적으로, 후면 장치의 전압이 전면 장치들의 전압과 같거나 유사하게 됨을 보장하기 위하여 전해질(10)이 후면 장치들에서 활용된다. 이러한 후면 전해질(10)은 그것의 화학적 조성이 동일한 조사(irradiation) 하에서 전면부 전해질에 의해 생산되는 것보다 더 높은 전압으로 귀착된다는 점에서 전면부 장치들에서 구현되는 전해질(8)과는 상이하다. 전형적으로, 후면부 장치들은 전면부 장치들보다는 광의 조사를 덜 받게 되는데, 따라서 전해질의 화학적 조성성분에 있어서의 차이에 의해 후면 및 전면부 장치들이 동일한 전압을 생성하도록 하는 것을 보장하게 되는 것이다.

도 2b를 참조하면, 각각의 NDSC 장치는 인용 번호 14에 의해 표시되고, 연결 수단의 저항은 기호 13에 의해 표시된다. A, B, 및 C는 전면부 장치들이고, D 및 E는 후면부 장치들이다.

도 3a를 참조하면, 제3 실시예의 2-단자형 장치가 연결 수단이 없이 형성되 어 있다. 이것은 각 기판의 TEC 코팅 면들의 분리된 영역들 상에 인접한 활동 전극과 카운터 전극을 형성함으로써 달성된다. 본 장치는 그 다음 폴리머 불침투성의 물질들(예를 들어, 변형 실리콘과 같은)로 이루어진 분리 수단(12)에 의해 분리가 이루어진다.

도 3b를 참조하면, 전면부 장치들(A, B, C) 및 후면부 장치들(D, E) 간의 전기적 연결에 대한 등가 회로도가 도시되어 있다.

당해 기술분야의 통상의 전문가라면 여기에 기술된 발명은 지금까지 특정하게 기술된 것과는 다른 변형과 변경의 여지가 많다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명은 본 발명의 영역 내에 있는 그러한 모든 변경과 변형들을 포함하는 것으로 이해하여야 할 것이며, 그의 범위는 첨부한 청구범위로부터 결정될 것이다.

본 발명은 다중-셀 광전지 장치(photovoltaic module) 및 결합형 에너지 생성 및 저장 장치에 이용가능하며, 특히, 나노 염료감응형 태양전지(Nano Dye Solar Cells: NDSC) 및 그러한 NDSC 기술에 기초한 광전지 모듈에 유용하다.

Claims

광전지 모듈에 있어서,

닫혀진 공간에 서로 병렬관계로 배열된 세 개 또는 그 이상의 기판들을 구비하고, 상기 기판은:

제1 및 제2 면들을 구비하는 중앙 기판, 또는 제1 및 제2 면들을 보이도록 서로 등을 마주하도록 배열된 두 개의 기판들과,

내부 면과 외부 면을 구비하되, 상기 내부 면과 외부 면은 나란히 배열되도록 구성된 제1 외부 기판과,

내부 면과 외부 면을 구비하되, 제2 기판의 내부 면과 상기 제2 면이 나란히 배열되도록 구성된 제2 외부 기판을 포함하며,

상기 제1 외부 기판과 상기 중앙 기판의 상기 제1 면 사이에 전면 광전지 장치들이 형성되고,

연결 및/또는 분리 수단이 적어도 한 쌍의 전면 장치들 사이에 배치되고,

상기 제2 외부 기판과 상기 중앙 기판의 상기 제2 면 사이에 후면 광전지 장치들이 형성되고,

상기 전면 및 후면 광전지 장치들은 전면 장치들의 연결 및 분리 수단이 후면 장치들의 액티브 광전지 영역들에 대향하도록 하는 방식으로 상쇄형으로 구성함을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제1항에 있어서,

상기 전면 광전지 장치들은 전면 2-단자 파워 소스를 형성하도록 내부적으로 연결되고, 그리고

상기 후면 광전지 장치들은 후면 2-단자 파워 소스를 형성하도록 내부적으로 연결됨을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제1항에 있어서, 상기 전면 광전지 장치들과 후면 광전지 장치들은 하나의 결합형 2-단자 파워 소스를 형성하도록 내부적으로 연결됨을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제3항에 있어서, 상기 전면 및 후면 장치들 사이의 전기적 통로에 다이오드 층들이 포함됨을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제4항에 있어서, 상기 다이오드 층들은 반도체 산화물에 기초하여 형성됨을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제3항에 있어서, 전면 및 후면 광전지 장치들 간에 전기적 접속을 가능하게 하기 위하여 내부 기판(들)에 구멍(들)이 형성됨을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제6항에 있어서, 하나 또는 다수의 전기적 전도체들이 상기한 각각의 구멍(들)에 삽입됨을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제6항에 있어서, 적어도 하나의 상기 구멍들은 전기적으로 전도성 물질로 충진됨을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제3항에 있어서, 상기 후면 장치들의 액티브 광전지 영역들의 폭은 상기 전면 장치들의 액티브 영역들의 폭보다 더 작음을 특징으로 하는 광전지 모듈.
전기한 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 광전지 장치들 중의 적어도 하나는 염료감응형 나노입자 층의 광대역 갭 반도체과 전해질 층(NDSC 장치)를 포함함을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제10항에 있어서, 상기 후면 장치들은 향상된 에너지 저장 특성을 갖는 NDSC 장치들임을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제10항에 있어서, 상기 후면 장치들은 NDSC 장치이고, 그리고 후면 장치들에서 활용되는 염료(후면부 염료)는 전면 장치들의 액티브 광전지 층에 대해 광학적으로 상보형(optically complementary)임을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제10항에 있어서, 상기 후면 및 전면 광전지 장치들은 모두 NDSC 장치임을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제13항에 있어서, 후면부 염료는 전면 장치들에서 활용되는 염료(전면부 염료)에 대해 광학적으로 상보형(optically complementary)임을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제14항에 있어서, 상기 전면부 염료는 태양광 스펙트럼의 청색 부분에 있어 우선적으로 광을 흡수하는 반면에 후면부 염료는 태양광 스펙트럼의 적어도 청색 부분에서 광을 흡수함을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제13항에 있어서, 상기 전면 NDSC 장치들은 내부 기판의 제1 면 상에 형성되고 상기 후면 NDSC 장치들은 내부 기판의 제2 면 상에 형성됨을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제13항에 있어서, 상기 전면 NDSC 장치들은 후면 NDSC 장치들과 병렬로 연결됨을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제17항에 있어서, 상기 후면 NDSC 장치들의 전해질 층(후면부 전해질)은 상기 전면 NDSC 장치들에서 이용된 전해질 층(전면부 전해질)과는 다른 화학적 조성을 가짐을 특징으로 하는 광전지 모듈.
제18항에 있어서, 상기 후면부 전해질에서의 레독스 결합(redox couple)의 농도는 상기 전면부 전해질에서의 레독스 결합의 농도보다 작게 함을 특징으로 하 는 광전지 모듈.