KR20090101226A - 태양광 발전 집열 유닛 - Google Patents

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KR20090101226A
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KR1020097014480A
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겐이치 히와타시
나오토 마스야마
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일렉트릭 파워 디벨롭먼트 컴퍼니 리미티드
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Abstract

집열 효율과 광전 변환 효율을 모두 높게 유지할 수 있고, 적은 면적에서 설치할 수 있는 태양광 발전 집열 유닛을 제공한다. 이 태양광 발전 집열 유닛(10)은, 색소 증감형 태양 전지(11)와, 이 색소 증감형 태양 전지(11)에 중첩하여 설치되는 집열 패널(12)로 구성되어 있고, 이 집열 패널(12)의 상면으로부터 태양광이 입사한다.
태양광 발전 집열 유닛

Description

태양광 발전 집열 유닛{PHOTOVOLTAIC GENERATION HEAT COLLECTING UNIT}
본 발명은, 태양광으로부터 집열 및 광전 변환을 수행하는 태양광 발전 집열 유닛에 관한 것이다.
본원은, 2006년 12월 20일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2006-343025호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
최근, 건조물의 지붕 등에 태양 전지나 집열 패널(태양열 온수기 등)을 설치하여, 태양광을 유효하게 이용함으로써, 가스나 전력의 사용량을 삭감하는 것이 널리 행해지고 있다. 종래, 이러한 태양광의 이용에 있어서, 태양광의 열을 이용하는 집열 패널과, 광전 변환에 의해 태양광을 전력으로서 이용하는 태양 전지가, 그 구조가 서로 전혀 상이하기 때문에, 어느 하나를 선택적으로 설치하거나, 또는 양쪽 모두를 병렬로 설치해야 했다.
그러나, 태양광이 자주 닿는 건조물의 지붕 등은, 그 면적이 한정되어 있기 때문에, 이들 집열 패널과 태양 전지를 병렬하여 설치할 수 있을 정도로 넓은 지붕 등을 갖는 건조물은 많지 않은 것이 현재의 상황이다. 한편, 지구 환경의 유지의 면에서도, 태양광의 열과 광을 양쪽 모두 효율적으로 이용하는 것이 요구되고 있다.
이러한 과제에 대응하기 위해, 실리콘형 태양 전지와 집열 패널을 하이브리드로 구성함으로써, 태양광의 광에너지 및 열에너지 양쪽 모두를 유효하게 이용할 수 있도록 한 태양광 발전 집열 유닛도 알려져 있다. 예컨대 특허문헌 1에는, 실리콘형 태양 전지의 이면에 집열 패널을 설치하고, 실리콘형 태양 전지를 열매체로 냉각하며, 태양광의 열을 열매체와 열교환하는 것에 의해 회수하고, 이 열매체를 집열 파이프를 통해 유통시키는 하이브리드형의 태양광 발전 집열 유닛이 기재되어 있다.
특허문헌 1에 기재된 하이브리드형의 태양광 발전 집열 유닛에서는, 실리콘형 태양 전지의 이면에 집열 파이프를 부설하고, 태양 전지의 열과 집열 파이프 내에 통류(通流)하는 열매체와의 열교환을 수행하며, 태양 전지를 냉각하여 광전 변환 효율을 올리고, 열매체를 통해 태양광의 열에너지를 취출하는 구성으로 되어 있다. 또한 태양 전지의 상면에도, 광을 투과할 수 있는 형태로 열매체를 유통시켜, 태양광의 열에너지를 취출하는 구성이 기재되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 소56-64474호 공보
그러나, 실리콘형 태양 전지는, 그 표면이 광택이 풍부하고, 광의 반사율이 높기 때문에, 열을 흡수하는 특성이 부족하며, 태양광의 장파장측의 광흡수 특성이 좋지 않다고 하는 결점이 있었다. 즉, 실리콘형 태양 전지 자체가 적외선(열선) 영역의 흡수 성능이 낮기 때문에, 그 이면에 배치된 열매체에 적외선 영역의 열량을 전달할 수 없고, 열매체로부터 태양광의 열에너지를 취출하는 효율이 극단적으로 좋지 않다고 하는 문제점이 있었다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 집열 효율과 광전 변환 효율을 함께 높게 유지할 수 있고, 적은 면적에서 설치할 수 있는 태양광 발전 집열 유닛을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 본 발명에서는 태양광을 장파장 영역까지 흡수하는 색소 증감형 태양 전지를 이용함으로써, 태양 전지의 열 흡수 성능을 개선할 수 있고, 하이브리드 패널로서의 집열 특성을 개선할 수 있는 것을 발견하였다.
즉, 본 발명의 태양광 발전 집열 유닛은, 태양광으로부터 광전 변환에 의해 전력을 취출하는 색소 증감형 태양 전지와, 이 색소 증감형 태양 전지에 중첩하여 배치되고, 태양광의 열에너지에 의해 열매체를 가열하는 집열 패널을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 열매체는, 상기 색소 증감형 태양 전지와의 사이에서 열교환을 수행하는 것이 바람직하다. 상기 태양광 발전 집열 유닛은, 상기 열매체와의 열교환에 의해, 60℃ 이하로 유지되고, 상기 열매체는, 태양광 발전 집열 유닛의 외부에서, 2차 열매체와의 사이에서 열교환을 수행하는 구성이 더 바람직하다.
상기 색소 증감형 태양 전지 또는 집열 패널 중 어느 하나는, 다른 하나가 주로 흡수하는 파장 영역의 태양광을 투과시키는 것이 바람직하다. 상기 집열 패널은, 태양광 발전 집열 유닛에 입사한 태양광 중 적외선 영역을 주체로 하여 흡수하고, 상기 색소 증감형 태양 전지는 상기 적외선 영역 이외의 파장 영역의 태양광을 주체로 하여 흡수하며 광전 변환을 수행하는 것이 바람직하다. 상기 색소 증감형 태양 전지를 구성하는 색소 증감형 태양 전지의 음극을 이루는 다공질 전극막의 두께는, 5 마이크론 이상인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 5∼30 마이크론이다.
본 발명에 의하면, 태양광에 포함되는 적외선 영역(열선)의 광에 의해 집열 패널에 흐르는 열매체를 가열하고, 주로 자외선 영역의 광에 의해 색소 증감형 태양 전지로 광전 변환에 의해 발전을 행한다. 이것에 의해, 태양광을 폭넓은 파장 영역에 걸쳐, 유효하게 이용할 수 있고, 열, 및 전력을 취출할 수 있다.
또한, 색소 증감형 태양 전지에 집열 패널을 중첩하여 태양광 발전 집열 유닛을 형성하는 것에 의해, 집열 패널을 흐르는 열매체에 색소 증감형 태양 전지의 열을 흡수시켜, 색소 증감형 태양 전지를 냉각할 수 있다. 색소 증감형 태양 전지는, 고온이 되면 전해액의 열화, 증발, 및 발전 효율의 저하 등이 생기지만, 색소 증감형 태양 전지에 접하여 집열 패널을 형성하는 것에 의해, 이러한 전해액의 온도 상승을 방지하여, 발전 효율을 양호하게 유지하고, 색소 증감형 태양 전지의 열화를 방지할 수 있다.
또한, 색소 증감형 태양 전지에 중첩하여 집열 패널을 형성하는 것에 의해, 색소 증감형 태양 전지와 집열 패널을 개별로 병렬하여 설치한 경우와 비교하면, 반 이하의 설치 면적이어도 좋고, 건조물의 한정된 면적의 지붕 등을 유효하게 이용하여, 태양광으로부터 열 및 전력을 효율적으로 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 태양광 발전 집열 유닛(하이브리드 패널)을 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 선 A-A를 따라 취한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 하이브리드 패널의 다른 실시형태를 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 하이브리드 패널의 다른 실시형태를 도시하는 단면도이다.
도 5는 집열 패널의 구성예를 도시하는 사시도이다.
도 6은 집열 패널의 구성예를 도시하는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 하이브리드 패널의 다른 실시형태를 도시하는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 하이브리드 패널의 다른 실시형태를 도시하는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 하이브리드 패널의 다른 실시형태를 도시하는 평면도이다.
도 10은 본 발명의 하이브리드 패널의 다른 실시형태를 도시하는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 하이브리드 패널의 다른 실시형태를 도시하는 사시도이다.
도 12는 본 발명의 하이브리드 패널의 다른 실시형태를 도시하는 주요부 파단 사시도이다.
도 13은 본 발명의 하이브리드 패널의 설치예를 모식적으로 도시하는 모식도이다.
도 14는 집열 패널의 구성예를 도시하는 단면도이다.
도 15는 본 발명의 하이브리드 패널의 다른 실시형태를 도시하는 사시도이 다.
도 16은 본 발명의 하이브리드 패널의 다른 실시형태를 도시하는 사시도이다.
도 17은 본 발명의 하이브리드 패널의 다른 실시형태를 도시하는 사시도이다.
<부호의 설명>
10: 태양광 발전 집열 유닛(하이브리드 패널) 11: 색소 증감형 태양 전지
12: 집열 패널 15: 열매체
이하, 본 발명에 따른 태양광 발전 집열 유닛의 일 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다. 또한, 본 발명은 이러한 실시형태에 한정되는 것이 아니다. 또한, 이하의 설명에서 이용하는 도면은, 본 발명의 특징을 알기 쉽게 하기 위해, 편의상, 주요부가 되는 부분을 확대하여 도시하는 경우가 있고, 각 구성 요소의 치수 비율 등이 실제와 동일한 것은 아니다.
도 1은, 본 발명의 태양광 발전 집열 유닛의 기본 구성을 모식적으로 도시하는 사시도이다. 또한, 도 2는 도 1에 도시하는 태양광 발전 집열 유닛의 선 A-A를 따라 취한 단면도이다. 본 발명의 태양광 발전 집열 유닛(이하, 하이브리드 패널로 지칭함)(10)은, 색소 증감형 태양 전지(11)와, 이 색소 증감형 태양 전지(11)에 중첩하여 설치되는 집열 패널(12)로 구성되어 있다. 이 하이브리드 패널(10)은, 집열 패널(12)의 상면(12a)으로부터 태양광이 입사한다.
[집열 패널]
집열 패널(12)은, 광투과성이 투명한 프레임(13) 안에, 투명 내지 유색의 매체 파이프(14)가, 예컨대 주름 상자 형상으로 배관되어 있다. 그리고, 이 매체 파이프(14) 안에는, 열매체(15)가 흐르고, 태양광에 포함되는 적외선(열선) 및 색소 증감형 태양 전지(11)의 열 사이에서 열교환이 행해진다.
매체 파이프(14)는, 예컨대 열가소성 수지를 이용하여도 좋고, 예컨대 ABS 수지, PP(폴리프로필렌), PE(폴리에틸렌), PS(폴리스티렌), PMMA(아크릴), PET(폴리에틸렌테레프탈레이트), PPE(폴리페닐렌에테르), PA(나일론/폴리아미드), PC(폴리카보네이트), POM(폴리아세탈), PBT(폴리부틸렌테레프탈레이트), PPS(폴리페닐렌설파이드), PEEK(폴리에테르에테르케톤), 불소수지, 우레탄수지, 폴리염화비닐수지 등으로 형성되어 있으면 좋다. 매체 파이프(14)는, 태양광에 포함되는 적외선(열선)을 효율적으로 흡수하는 색, 예컨대 흑색으로 착색되어 있어도 좋고, 또한 하층에 배치된 색소 증감형 태양 전지(11)에 효율적으로 태양광이 닿도록, 투명이어도 좋다. 매체 파이프(14)가 착색되어 있는 경우에는, 서로 인접하는 매체 파이프(14)끼리의 간격을 넓혀, 매체 파이프(14)끼리의 사이에서 태양광이 색소 증감형 태양 전지(11)를 향해 충분히 조사되도록 하면 좋다.
후술하는 색소 증감형 태양 전지(11)의 광전 변환에 있어서, 색소 증감형 태양 전지(11)는, 입사하는 태양광 중 자외선 영역의 광을 이용한다. 이 때문에, 매체 파이프(14)에 흐르는 열매체(15)를 색소 증감형 태양 전지(11)의 수광면에 흘리는 경우에는, 열매체(15)는, 자외선에 대하여 흡수성이 적은 것을 이용하는 것이 바람직하다.
열매체(15)로서 바람직한 재료를 열기하면, 예컨대 물, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 글리세린, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디프로필렌글리콜 등 탄소수 1∼6의 저분자 알코올이나 디메틸에테르, 메틸에틸에테르, 디에틸에테르 등의 탄소수 1∼4의 저분자 에테르 등, 대체 프론을 들 수 있다. 태양광에 포함되는 적외선의 흡수나, 색소 증감형 태양 전지(11)를 냉각하는 데 있어서, 열매체(15)는 특별히 액체일 필요는 없다. 액체의 온도 변화에 의한 열의 흡수도 좋지만, 비점이 낮은 액체를 이용하여 기화열 등의 상 변화에 기초하여 열을 흡수하고, 외부에 별도 설치되는 열교환기로써 열매체(15)를 구성하는 액체, 또는 기체로부터 열을 회수하여도 좋다.
하이브리드 패널(10)을 옥외에 설치할 때에, 한냉지 등에서 열매체(15)의 동결을 막기 위해, 열매체에 무기염이나 유기염을 첨가하여 응고점을 내리는 것도 가능하다. 또한, 열매체(15)가 순환하는 시스템 내에 금속관이 사용되는 지점이 있는 경우, 방청 효과가 있는 유기계 재료로서, 예컨대 포화지방산 또는 불포화지방산을 이용하는 것이 바람직하다. 포화지방산으로서는, 예컨대 카프릴산, 카프론산, 데칸산, 라우린산, 미리스트산, 팔미틴산, 스테아르산을 바람직하게 들 수 있다. 또한, 불포화지방산으로서는, 예컨대 올레인산, 리놀레산, 리놀렌산을 바람직하게 들 수 있다. 또한 글루코오스나 글루코오스를 구성 단위로 하는 다당류 글루칸으로서 올리고당이나 다당류를 이용하는 것도 바람직하고, 예컨대 셀룰로오스나 포도당을 들 수 있다. 한편, 무기 재료로 방청 효과가 있는 첨가제로서는, 히드라 진, 인산칼슘, 인산마그네슘 등 인산염을 들 수 있다.
또한, 하이브리드 패널(10)의 구성이, 집열 패널(12)의 하면측에 색소 증감형 태양 전지(11)가 배치되는 경우에는, 태양광에 포함되는 자외선 영역의 광을 색소 증감형 태양 전지(11)까지 충분히 도달시키기 위해, 열매체(15)는, 자외선 흡수율이 10 퍼센트 이하인 재료를 이용하는 것이 바람직하다.
[색소 증감형 태양 전지]
색소 증감형 태양 전지(11)는, 양극(21) 및 음극(22)을 대면시켜, 측부 가장자리 부분을 밀봉재(23)로 밀봉한 것이다. 음극(22)은, 지지 기판(24)의 일면에 다공질층(25)을 형성한 것이다. 또한, 양극(21)은 지지 기판(26)의 일면에 전극층(27)을 형성한 것이다. 그리고, 다공질층(25)에 색소를 흡착시키고, 대향하는 양극(21)과 음극(22) 사이에 전해액을 채운 구성으로 되어 있다.
이 색소 증감형 태양 전지(11)는, 광전 변환에는 기여하지 않는 파장 영역, 예컨대 적외선 영역을 열로서 집열 패널(12)에 흡수시키는 것이 바람직하다. 이 때문에, 색소 증감형 태양 전지(11)의 다공질층(25)에 흡착시키는 색소로서는, 흡수스펙트럼의 범위가 넓은 편이 좋고, 또한 색소 증감형 태양 전지(11)로부터의 반사광이나 투과광을 억제시키는 것이 바람직하다.
이러한 색소 증감형 태양 전지(11)의 배면측의 투과광을 억제시키기 위해, 색소 증감형 태양 전지(11)의 배면에 금속판 등의 반사판(29)을 형성하여도 좋다. 또는, 색소 증감형 태양 전지(11)의 양극(21)을 이루는 지지 기판(25)을 금속 기판으로 하고, 전체 파장 영역에서의 투과를 줄여도 좋다.
더 나아가서는, 색소 증감형 태양 전지(11)로부터의 반사광을 줄이기 위해, 열매체(15)가 직접, 색소 증감형 태양 전지(11)의 수광면(11a)에서 접촉하고 있는 경우에는, 열매체(15)와 수광면(11a)의 지지 기판(24)과의 굴절율 차를 없애고, 경계부에서의 반사를 억제하는 것이 바람직하다. 열매체(15)가 간접적으로 유로 형성물을 통해 접촉하고 있는 경우에는, 유로 형성물과 수광면(11a)의 지지 기판(24)과의 굴절율 차를 없애고, 경계부에서의 반사를 억제하는 것이 바람직하다.
또한, 색소 증감형 태양 전지(11)의 내부로부터의 귀환 광이 없도록, 색소 증감형 태양 전지(11)의 음극(22)을 이루는 다공질층(25)의 색소 흡착의 금속 산화물층의 막 두께를 늘리거나, 색소의 흡수 파장 범위가 넓은 것을 이용하여 광의 흡수 특성을 개선하는 것이 바람직하고, 예컨대 색소로서 블랙 다이, N3 등을 바람직하게 들 수 있다. 또한, 양극(21)의 전극층(27)으로서 카본계의 재료에 Pt를 담지시킨 것을 이용하면, 색소 증감형 태양 전지(11)의 장파장 영역의 흡수 특성을 개선하는 것이 가능하다. 색소 증감형 태양 전지(11)의 광흡수 성능을 올리고, 흡열체로서의 특성을 올리기 위해서는, 음극(22)의 다공질층(25)의 두께를 적어도 1 ㎛ 이상, 바람직하게는 5 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같은 색소 증감형 태양 전지(11)의 구성에 의해, 색소 증감형 태양 전지(11)의 수광부(11a)로부터의 광 반사율이, 파장 200 ㎚ 내지 800 ㎚에서 입사광(태양광)의 10% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 색소 증감형 태양 전지(11)의 광흡수율이 파장 800 ㎚ 내지 1200 ㎚에서 입사광의 30% 이상인 것이 바람직하다.
색소 증감형 태양 전지(11)의 음극(22)을 이루는 지지 기판(24)으로서는, 투명성이 높은 것이 바람직하고, 예컨대 유리계 재료로서 소다 석회 유리나 석영 기판, 납유리, 플라스틱계 재료로서 폴리카보네이트나 아크릴수지, 폴리염화비닐리덴수지, 스티롤수지, AS수지, 메타크릴수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 테트라아세틸셀룰로오스, 폴리페닐설파이드, 폴리아릴레이트, 폴리에테르이미드, 페녹시수지 등의 플라스틱 기판을 들 수 있다.
이러한 지지 기판(24)에 스크린 인쇄법, 스프레이법, 스퍼터법, MOCVD법 등에 의해, 불소 도핑 산화주석(FTO), 산소 결손의 산화아연, ITO 등을 성막하고, 시트 저항으로서 커도 100 Ω 이하, 바람직하게는 30 Ω 이하로 한 것을 제작한다. 이들의 두께로서는 적어도 O.1 ㎛ 이상이 바람직하다.
지지 기판(24) 위에 형성하는 다공질층(25)은, 예컨대 금속 산화물의 반도체로 구성되어 있으면 좋다. 다공질층(25)의 형성 방법으로서는, 독터블레이드, 다이코터, 스크린인쇄, 스프레이인쇄, 그라비아인쇄, 스핀코트법 등의 각종 인쇄법을 이용하면 좋다. 이들의 인쇄 방법에 따라서, 이용하는 슬러리나 페이스트의 점도를 변경하여야 한다. 이 슬러리나 페이스트는 아나타아제형 결정 구조의 산화티탄 가루에 루틸형 결정 구조의 산화티탄 가루, 또한 그 외, 산화규소나 산화아연 등의 금속산화물, 경우에 따라서는 첨가한 분말에 셀룰로오스계나 폴리비닐알코올계 등의 바인더수지를, 분말에 대하여 1 중량%∼10 중량% 정도 포함시켜, 용매로서 알코올, 또는 물 등을 이용하여 혼련하고, 점도를 1 cPa·s∼1000 cPa·s의 범위가 되도록 용매량으로 제어하여 제작한다.
지지 기판(24) 위에 도포한 막은, 건조 후의 두께가 1 ㎛ 이상, 바람직하게는 5 ㎛∼30 ㎛ 정도로 성막한다. 이 후, 지지 기판(24)이 소다 석회 유리 기판의 경우에는, 이것을 350℃∼550℃로써 소성하고, 산화티탄을 포함한 다공질층(25)을 형성한다. 지지 기판(24)이 플라스틱 필름인 경우에는, 티탄의 알콕시드, 예컨대 테트라에톡시티탄(Ti(C2H5O)4)을 에탄올로 용해하고, 이것을 분무하여 100℃ 정도로 건조함으로써 산화티탄으로 이루어지는 다공질층(25)을 형성하여도 좋다.
또한, 티탄의 알콕시드를 희석한 알코올 용액에 물을 가하여 제작한 졸 용액을 이용하여, 스프레이법에 의해 도포하고 100℃ 정도로 건조하여 다공질층(25)을 형성하여도 좋다. 또한 유기 금속 티탄을 미리 페이스트나 슬러리에 섞어 두고, 스크린인쇄법, 또는 스프레이법에 의해 도포하여 100℃ 정도로 건조하여 다공질층(25)을 형성하여도 좋다.
다공질층(25)에 이용하는 산화티탄 가루로서는, 아나타아제형 결정 구조의 것이고, 직경 5 ㎚∼400 ㎚이며, 바람직하게는 직경 10 ㎚∼100 ㎚이다. 이 산화티탄 가루에 루틸형 결정 구조의 산화티탄 가루를 포함시킨 것, 또는 아나타아제형 결정 구조의 산화티탄에 부분적으로 루틸형 결정 구조의 것이나 다른 결정상을 포함시킨 것이어도 좋다.
이 다공질층(25) 중에 산화아연이나 산화마그네슘, 산화규소, 산화알루미늄 등의 산화물을 입자 사이즈로서 0.2 ㎛ 내지 5 ㎛로 하여 섞음으로써 투과광의 난반사 성분으로 하여 광전 변환 효율을 개선시키는 것도 가능하다. 또한, 산화티탄 을 포함한 다공질층(25) 위에, 투과광의 난반사 성분으로 하여 입자 사이즈가 0.2 ㎛∼5 ㎛인 산화아연, 산화마그네슘, 산화규소, 또는 산화알루미늄 등을 적층시켜도 좋다.
다공질층(25)의 공극량으로서는, 침 접촉식의 막 두께 측정기로 두께를 측정하고, 20℃로 물을 함침시켜 건조 후의 중량 변화로부터 측정한 다공질층의 공극율로서, 20∼80 퍼센트가 바람직하다.
또한, 다공질층(25)에는 색소를 흡착시켜야 하고, 색소를 흡착시키기 전후에 역전자 이동용에, 예컨대 케톤계, 카르복실산계, 에테르계 등이나 금속알콕시드, 금속착체, 금속염 등을 이용하여, 산화티탄의 표면에 높은 저항막이나 흡착층을 5 ㎚ 이하로 형성함으로써, 광전 변환 효율을 개선하는 것이 가능하다.
지지 기판(24)으로서, 내열성이 낮은 수지 기판, 예컨대 PC, PE, PVC나 테플론(등록 상표)계 필름을 이용하는 경우는, 스퍼터법이나 증착법, CVD법 등의 성막법에 의해, 예컨대 PC 기판 위에 도전막을 형성한다. 이 때, 수지 기판에 성막하는 도전막에 핀홀이 발생하면, 전해액의 용매에 의해 수지 기판이 팽윤 또는 용해하여 도전막의 박리를 생기게 하기 때문에, 클린룸 안에서 성막하는 것이 바람직하다.
또한, 도전막의 형성 방법 중에서도, 관리나 양산성의 면에서, 통상은 스퍼터법이 좋고, 챔버중에서 연속 스퍼터에 의해 필름을 성막하는 것이 바람직하다. 도전막의 성막 재료로서는 ITO가 성막 환경의 영향을 잘 받지 않기 때문에 관리하기 쉽다. 또한, 도전막의 성막 재료가 산화아연이나 산화주석인 경우라도 n형이나 p형으로 하기 위한 도핑이 용이하기 때문에, 특별히 ITO에 한정하는 것이 아니다.
이러한 성막 프로세스에 의해, 도전막을 구성하는 필름의 시트 저항이 최대라도 100 Ω 이하가 되도록 도전성을 갖게 한다. 그리고, 이 투명 도전막 위에, 티탄의 알콕시드나 금속염, 또는 티탄의 졸액을 아나타아제형 결정 구조의 산화티탄 가루와 섞어 도포하고, 예컨대 100℃ 정도로 건조하여 다공질의 금속 산화물로 이루어지는 다공질층(25)을 형성한다. 이때의 온도는 100℃로 한정되지 않고, 필름 재질의 내열 온도 이하에서 행한다. 이 때, 금속 알콕시드나 티탄졸액을 이용하여, 아나타아제형 결정 구조의 산화티탄 가루를 섞어 스크린인쇄법 또는 스프레이법으로써 도포하고, 실온으로부터 50℃ 정도로 겔화 반응에 의해 고정화함으로써, 지지 기판(24)의 열팽창에 의한 다공질층(25)의 박리나, 지지 기판(24)에의 열 손상을 줄일 수 있다.
PC, PE, PVC나 테플론(등록 상표)계 필름을 이용하여 색소 증감형 태양 전지(11)를 제작하는 경우에, 다공질층(25)의 기초에 투명 도전막을 형성하지만, 이것의 바닥으로서 필름 표면에 치밀한 막을 더 만들기 쉽게 하기 위해, 또는 산소나 수분에 대한 배리어성을 높이기 위해 산화알루미늄이나 산화규소 등을 성막하는 것도 내구성의 개선에 효과가 있다. 또한, 상대극인 양극(21)에서도 마찬가지로 적용할 수 있다. 예컨대 양극(21)에서는, PC 필름 위에 산소나 수분에 대한 배리어막을 형성하여, 이 위에 투명 도전막을 형성하고, 추가로 스퍼터법 등에 의해 Pt를 10 ㎚ 이상으로 성막한 전극층(27)을 이용한다.
산화티탄으로 이루어지는 다공질층(25)에 흡착시키는 색소로서는, 예컨대 루 테늄 비피리딘계 색소, 아조계 색소, 퀴논계 색소, 퀴논이민계 색소, 퀴나크리돈계 색소, 스쿠아릴리움계 색소, 시아닌계 색소, 메로시아닌계 색소, 트리페닐메탄계 색소, 크산텐계 색소, 포르피린계 색소, 프탈로시아닌계 색소, 페릴렌계 색소, 인디고계 색소, 나프타로시아닌계 색소, 쿠마린계 색소 등을 들 수 있다.
산화티탄으로 이루어지는 다공질층(25)에 색소를 흡착시키는 방법으로서는, 예컨대 지지 기판(24) 위에 형성된 다공질층(25)을, 색소를 용해한 용액(색소 흡착용 용액)에 침지하는 방법을 들 수 있다. 색소를 용해시키는 용제로서는, 색소를 용해하는 것이면 좋고, 구체적으로는 에탄올 등의 알코올류, 아세톤 등의 케톤류, 디에틸에테르, 테트라히드로푸란 등의 에테르류, 아세토니트릴 등의 질소화합물류, 클로로포름 등의 할로겐화지방족 탄화수소, 헥산 등의 지방족 탄화수소, 벤젠 등의 방향족 탄화수소, 초산에틸 등의 에스테르류를 들 수 있다.
이들의 용제는 2 종류 이상을 혼합하여 이용할 수도 있다. 용액중의 색소 농도는, 사용하는 색소 및 용제의 종류에 의해 적절하게 조정할 수 있지만, 흡착 기능을 향상시키기 위해서는 가능한 한 고농도인 것이 바람직하다. 단, 고농도이면 다공질층(25)을 구성하는 산화티탄 표면에 과잉으로 흡착된 층이 형성되기 때문에, 농도가 바람직하게는 3×10-4 몰/리터 이상이면 좋다.
양극(21)과 음극(22) 사이에 채워지는 전해액의 산화환원쌍으로서는, I3 -/I-계의 전해질, Br3 -/BR-계의 전해질 등의 레독스 전해질 등을 들 수 있지만, 산화환 원쌍을 구성하는 산화체가 I3 -이고, 상기 산화환원쌍을 구성하는 환원체가 I-인 I3 -/I-계의 전해질이 바람직하며, LiI, NaI, KI, CsI, CaI2 등의 금속요오드화물, 및 테트라알킬암모늄요오드화물, 피리디늄요오드화물, 이미라졸륨요오드화물 등 4급 암모늄 화합물의 요오드염 등의 요드화물과, I2와의 조합을 들 수 있다. 이러한 전해질에 있어서, 요오드계 레독스 용액으로 이루어지는 전해질이 이용되는 경우에는, 양극측은 백금 또는 도전성 탄소 재료로 이루어지는 것, 및 촉매 입자가 백금 또는 도전성 탄소 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
전해질의 용제로서는, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트 등의 카보네이트 화합물; 3-메틸-2-옥사졸리디논 등의 복소환 화합물; 디옥산, 디에틸에테르 등의 에테르 화합물; 에틸렌글리콜디알킬에테르, 프로필렌글리콜디알킬에테르, 폴리에틸렌글리콜디알킬에테르, 폴리프로필렌글리콜디알킬에테르, 에틸렌글리콜모노알킬에테르, 프로필렌글리콜모노알킬에테르, 폴리에틸렌글리콜모노알킬에테르, 폴리 프로필렌글리콜모노알킬에테르 등의 에테르류; 메탄올, 에탄올 등의 알코올류; 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 글리세린 등의 다가 알코올류; 아세토니트릴, 글루타로디니트릴, 메톡시아세토니트릴, 프로피오니트릴, 벤조니트릴 등의 니트릴 화합물; 디메틸술폭시드, 슬포란 등 비프로톤 극성 물질 등을 들 수 있다.
전해질의 농도는, 전해질이나 용제의 종류 등에 의해 적절하게 설정하면 좋 고, 예컨대 0.01∼1.5 몰/리터, 바람직하게는 0.01∼0.7 몰/리터이다. 구체적인 전해액의 일례로서는, 리튬 요오드화물 0.06 몰/리터, 요오드 0.06 몰/리터, t-부틸피리딘 0.3 몰/리터의 농도가 되도록 각각을 아세토니트릴에 용해시킨 것을 들 수 있다.
양극(21)을 구성하는 지지 기판(26)과 음극(22)을 구성하는 지지 기판(24)을 밀봉재(23)에 의해 접합하는 방법으로서는, 예컨대 색소를 흡착시킨 산화티탄으로 이루어지는 다공질층(25)을 형성한 지지 기판(24)과, 투명 도전막에 백금을 담지시킨 전극층(27)을 구비한 지지 기판(26)을 대면시켜, 아이오노머수지, 예컨대 하이미란(상품명) 등의 유기 재료를 이용하여 지지 기판(24)과 지지 기판(26)을 열 융착시켜 밀봉 고정하고, 추가로 외측 둘레부를 가스 배리어성이 있는 재료로 밀봉하는 방법을 들 수 있다. 밀봉재(23)의 접합 부분을 부틸 고무나 불소수지, 실리콘수지 등으로 이루어지는 패킹을 이용하여, 가압하여 고정화함으로써도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이상, 상세히 설명한 바와 같은 구성의 태양광 발전 집열 유닛(하이브리드 패널)(10)에 의하면, 태양광(N)에 포함되는 적외선 영역(열선)의 광에 의해 집열 패널(12)을 흐르는 열매체(15)를 가열하고, 주로 자외선 영역의 광(V)에 의해 색소 증감형 태양 전지(11)로 광전 변환에 의해 발전을 행한다. 이것에 의해, 태양광을 폭넓은 파장 영역에 걸쳐, 유효하게 이용할 수 있고, 열, 및 전력을 취출할 수 있다.
또한, 색소 증감형 태양 전지(11)에 중첩하여 집열 패널(12)을 형성함으로 써, 집열 패널(12)을 흐르는 열매체(15)에 색소 증감형 태양 전지(11)의 열을 흡수시켜, 색소 증감형 태양 전지(11)를, 예컨대 60℃ 이하가 되도록 냉각할 수 있다. 색소 증감형 태양 전지(11)는, 고온이 되면 전해액의 열화, 증발, 및 발전 효율의 저하 등이 생기지만, 색소 증감형 태양 전지(11)에 접하여 집열 패널(12)을 형성하는 것에 의해, 이러한 전해액의 온도 상승을 방지하여, 발전 효율을 양호하게 유지하고, 색소 증감형 태양 전지(11)의 열화를 방지할 수 있다.
또한, 색소 증감형 태양 전지(11)에 중첩하여 집열 패널(12)을 형성하는 것에 의해, 색소 증감형 태양 전지와 집열 패널을 개별로 병렬하여 설치한 경우와 비교하면, 반 이하의 설치 면적이어도 좋고, 건조물의 한정된 면적의 지붕 등을 유효하게 이용하여, 태양광으로부터 열 및 전력을 효율적으로 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 태양광 발전 집열 유닛(하이브리드 패널)의 여러 가지 실시형태를 예시한다. 도 3에 도시하는 하이브리드 패널(31)과 같이, 집열 패널(33) 위에 중첩하여 색소 증감형 태양 전지(32)를 설치하고, 색소 증감형 태양 전지(32)를 이면측으로부터 집열 패널(33)에 의해 냉각하면서, 색소 증감형 태양 전지(32)를 투과한 적외선에 의해 집열 패널(33)을 가열하여도 좋다. 또한, 도 4에 도시하는 하이브리드 패널(35)과 같이, 색소 증감형 태양 전지(36)를 사이에 두고 상하 각각에 집열 패널(37)을 중첩하여 설치하고, 색소 증감형 태양 전지(36)의 냉각 능력을 한층 더 높이며, 열의 취출을 보다 효율적으로 행할 수 있는 구성이어도 좋다.
집열 패널의 구성예로서는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 집열 패널(41)의 프 레임(42)의 면을 따라, 한쪽 측면으로부터 다른쪽 측면을 향해 주름 상자 형상으로 매체 파이프(43)를 배관하거나, 도 6에 도시하는 바와 같이, 집열 패널(45)의 프레임(46)의 면을 따라서, 복수로 분기된 울타리형으로 매체 파이프(47)를 배관하고, 경사시켜 배치했을 때에 전체적으로 위에서 아래, 또는 아래에서 위를 향해 열매체가 흐르도록 하여도 좋다.
그 외에도, 집열 패널의 구성으로서, 집열 패널의 프레임 안에 열매체를 흘리는 매체 파이프 등을 독립적으로 설치하지 않고, 집열 패널에 중첩하여 설치되는 색소 증감형 태양 전지의 지지 기판에 직접, 접하도록 열매체가 흐르는 구성이어도 좋다. 예컨대 도 7에 도시하는 바와 같이, 집열 패널(51)의 프레임을 구성하는 상부 플레이트(52)와, 색소 증감형 태양 전지(53)의 전극을 구성하는 지지 기판(54) 사이에서 열매체(55)의 유로(매체 파이프)(56)를 형성하여도 좋다. 또한, 도 8에 도시하는 바와 같이, 집열 패널(61)의 프레임을 구성하는 상부 플레이트(62)와 하부 플레이트(63) 사이에서 열매체(64)의 유로(매체 파이프)(65)를 형성하고, 하부 플레이트(63)에 대하여, 색소 증감형 태양 전지(66)의 지지 기판(67)이 접하는 구성이어도 좋다.
집열 패널의 내부를 흐르는 열매체는, 이것을 직접 이용하는 형태, 즉 열매체로서 냉수를 흘리고, 열교환에 의해 온수로서 그대로 이용하는 형태여도 좋다. 또한, 집열 패널의 내부를 흐르는 열매체를 1차 열매체로서 폐쇄계의 유로에 흘리고, 이 1차 열매체로 흡수한 열을, 외부에 구비한 다른 열교환기에서 2차 열매체와 열교환을 행한다고 하는 간접적인 이용 형태여도 좋다. 이 2차 열매체로서는, 열 저축조에 저장한 물 등을 들 수 있다. 이 때, 경우에 따라서는 1차 열매체로부터 열교환기를 통해 물 등의 2차 열매체에 열량을 방출시키는 것이 아니라, 건조물의 마루나 벽 등에 순환식의 파이프를 부설하고, 이 파이프에 통과하여 마루나 벽을 따뜻하게 하여도 좋다. 열의 회수 방법으로서는, 자연 회수와 펌프를 이용한 강제 회수 2종류가 있지만, 본 발명에서는 한정되는 것이 아니다.
하이브리드 패널에서의 필요 강도로서, 색소 증감형 태양 전지의 수광면이 최상면이 되고, 색소 증감형 태양 전지의 배면측에 중첩하여 집열 패널을 설치하는 경우는, 색소 증감형 태양 전지의 수광면을 이루는 지지 기판은, 비바람에 강하고, 우박이나 싸라기눈에 대한 강도, 내광성, 광투과성이 우수한 재료로 형성해야 한다.
이러한 지지 기판의 재료로서, 예컨대 강도가 있는 무착색의 유리로서 소다 석회 유리를 들 수 있고, 플라스틱계 재료로서는 폴리카보네이트나 아크릴수지, 폴리염화비닐리덴수지, 스티롤수지, AS수지, 메타아크릴레이트수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 테트라아세틸셀룰로오스, 폴리페닐설파이드, 폴리아릴레이트, 폴리에테르이미드, 페녹시수지 등의 플라스틱 기판을 들 수 있다. 이들 플라스틱 기판의 표면에 하드코트 등으로 피복함으로써, 흠이 더 잘 가지 않게 하는 것도 가능하다. 색소 증감형 태양 전지 위에 집열 패널이 설치되는 경우에서도, 집열 패널의 최상부는, 전술한 것과 유사한 소재로 구성되는 것이 바람직하다.
원적외선의 흡수 특성의 관점에서는, 유리 기판은 흡수율이 높기 때문에, 색소 증감형 태양 전지의 지지 기판으로서 하이브리드 패널의 수광부측의 최상면에 설치한 경우에는, 최외측면의 유리 기판에서의 복사열이나 공기에 대한 열 확산에 의한 손실이 발생할 우려가 있기 때문에, 유리 기판을 이용하는 경우에는 유리 표면에 열 전도율이 낮은 것으로 피복하는 것이 바람직하다. 또는 최상면의 지지 기판은, 수지계의 기판을 이용하여 적외선 영역의 흡수를 줄이는 것이 바람직하다.
하이브리드 패널에 이용되는 색소 증감형 태양 전지는, 하나의 케이스에 형성된 대형의 색소 증감형 태양 전지로 구성되고, 이것에 집열 패널을 중첩한 구성이어도 좋지만, 예컨대 도 9에 도시하는 바와 같이, 하나의 케이스(71)에 다수의 작은 색소 증감형 태양 전지(72)를 배열하고, 서로의 색소 증감형 태양 전지(72)끼리를 리드선(73)으로 접속하여 구성되어도 좋다. 이 때, 색소 증감형 태양 전지(72)끼리는 직병렬 접속된 상태로 하고, 원하는 전압이나 전류값이 되도록 설정하면 좋다.
하이브리드 패널을 구성하는 색소 증감형 태양 전지로부터 출력되는 전력을 이용하여, 인버터 등에 출력하여 안정화 전원으로서 이용하여도 좋다. 또한 컨덴서나 2차 전지, 또는 물분해에 의해 발생시킨 수소 에너지로서 보존하여, 필요에 따라서 취출하는 구성이어도 좋다.
이하, 또한 본 발명의 태양광 발전 집열 유닛(하이브리드 패널)의 구성예를 열기한다. 도 10에 도시하는 하이브리드 패널(80)에서는, 집열 패널(81) 위에 중첩하여 색소 증감형 태양 전지(82)를 일체적으로 형성한 것이고, 색소 증감형 태양 전지(82)가 태양광에 의해 따뜻하게 되어 승온하면, 집열 패널(81)을 순환하는 열매체에 의해 색소 증감형 태양 전지(82)의 온도가 고온이 되지 않도록 구성되어 있 다. 이와 같이, 집열 패널(81)과 색소 증감형 태양 전지(82)를 일체적으로 형성하면, 건조물의 지붕 등에 설치할 때의 시공이 용이하다. 이러한 집열 패널(81)과 색소 증감형 태양 전지(82)의 일체화는, 미리 제조 공장에서 행해 두는 것이 바람직하다.
또한, 도 11에 도시하는 하이브리드 패널(85)에서는, 예컨대 일반 주택의 지붕에 부설하는 경우에, 지붕에 하이브리드 패널(85)을 고정하기 위한 지그를 형성한 후, 색소 증감형 태양 전지(86)를 얹고, 그 위에 집열 패널(87)을 중첩하여 설치한다. 이 설치 상태로 일체화하였지만 둘레 단부에, SUS나 알루미늄 등의 금속으로 이루어지는 프레임(88)을 설치하여 둘레 가장자리 부분을 강화하면, 내구성이 우수하고, 설치도 용이한 하이브리드 패널(85)을 실현할 수 있다.
도 12에 도시하는 하이브리드 패널(90)에서는, 집열 패널(91)은, 상부 플레이트(92)와 하부 플레이트(93)를 접합한 판형의 열 콜렉터로 이루어지고, 이 상부 플레이트(92) 및/또는 하부 플레이트(93)에는, 열매체를 유통시키기 위한 홈(94)이 주름 상자 형상(사행 형상)으로 형성되며, 열매체의 유로를 이루고 있다. 상부 플레이트(92)와 하부 플레이트(93)는, 예컨대 투명한 강화 플라스틱 등으로 형성되어 있다. 예컨대 하부 플레이트(93)의 상면에 미리 양단 개구의 주름 상자 형상의 홈을 마련하고, 이 홈의 상면을 덮는 상부 플레이트판(92)을 씌우며, 양자를 그 접촉 부위의 지점에서 접착 또는 용착하여 일체화하면 좋다. 이 경우의 열매체의 유로의 입구 단부(94a) 및 출구 단부(94b)는, 집열 패널(91)의 짧은 변측으로서 동일한 단부면에 설치되고, 이음새를 통해 열매체 순환용의 배관에 연결 가능하게 되어 있 다.
도 12에 도시하는 하이브리드 패널(90)을 조립할 때는, 색소 증감형 태양 전지(95) 위에 집열 패널(91)을 중첩하여 설치하고, 이 때, 집열 패널(91)과 색소 증감형 태양 전지(95) 사이에는 공간이 생기지 않도록 밀착시킨다. 이 후, 둘레 가장자리 부분을 연질성 폴리우레탄폼 등의 완충성 밀봉재로 밀봉하고, 마지막에, 세로 방향 프레임, 가로 방향 프레임을 조립한 패널 전체의 각 변(둘레 가장자리 단부)에 끼워 넣어 조립하면 좋다.
도 13은, 하이브리드 패널을 일반 주택에 설치했을 때의 개념도이다. 주택(101)의 지붕(102)에 하이브리드 패널(103)을 설치하고, 지상에는 온수 저장조(104)나 열매체를 순환시키는 펌프(105) 등을 설치하고 있다. 이 온수 저장조(104)에서는, 하이브리드 패널(103)을 구성하는 집열 패널(106)에 의해 따뜻해진 열매체와의 사이에서 열교환을 행함으로써, 저류된 냉수를 온수로 하여, 주택 내의 급탕 설비나 온수 바닥 난방 설비에 공급하는 것이다. 한편, 하이브리드 패널(103)을 구성하는 색소 증감형 태양 전지(107)에 의해 얻어진 전력은, 인버터(108) 등을 통해 주택 내에 급전된다.
실시예
이하, 본 발명의 태양광 발전 집열 유닛(하이브리드 패널)의 보다 구체적인 구성예와, 본 발명의 효과를 검증한 검증 결과를 설명한다.
[검증 1]
하이브리드 패널을 구성하는 색소 증감형 태양 전지는, 지지 기판으로서 소 다 석회 유리판에 투명 도전막을 형성한 유리판(일본판 유리제)을 절단하여 두께 3 ㎜, 10 ㎝ 각으로 한 유리판을 이용하였다. 이 유리 기판에서 투명 도전막이 형성되어 있는 면에 스크린 인쇄법에 의해 산화티탄 페이스트(SOLARONIX 제품명: Nanoxide HT)를 20 ㎛의 두께로 도포하였다. 도포한 막을 450℃로 1시간 소성하였다. 이 위에 추가로 산화티탄 페이스트(SOLARONIX 제품명: Nanoxide D)를 20 ㎛의 두께로 도포하였다. 도포한 막을 450℃로 1시간 소성하였다. 다른 한 장의 양극용의 유리 기판의 투명 도전막이 없는 이면에 알루미늄을 증착법으로 1 ㎛ 성막하여 경면 가공하였다.
이 후, 산화티탄 전극막을 형성한 유리 기판을 루테늄 착체계의 색소 루테늄 535(SOLARONIX 제품명: 루테늄 535)를 농도 5×10-4 몰/리터로 한 에탄올 용액에 침지하여 8시간 유지하였다. 그리고 무수 에탄올에 침지하여 과잉의 색소를 제거하고, 100℃에서 건조하였다. 상기한 전극막을 형성할 때는 유리판의 둘레 단부로부터 3 ㎜의 부분에는 산화티탄 페이스트가 붙지 않도록 인쇄를 수행하고, 이 유리판의 둘레 단부에는 외측으로부터 내측에 두께 60 ㎛의 하이미란[미츠이듀퐁 폴리케미컬사제의 스페이서 S(상품명: 하이미란) 이하 동일]을 폭 3 ㎜로 부착시켰다.
상대극이 되는 도전성막을 형성한 유리 기판 한 장에는 투명 도전막에 스퍼터법에 의해 Pt를 200 ㎚ 성막하고, 드릴에 의해 직경 1 ㎜의 구멍을 2지점, 대각선 방향으로 양단에 형성하였다. 이 2장의 유리 기판 사이에 10 gf/㎝2의 하중을 걸었다. 이 상태에서 120℃로 하이미란(상품명)에 의해 열융착시켰다. 제작한 셀 에 LiI와 I2를 녹인 아세토니트릴 전해액을 주입구로부터 넣어, 색소 증감형 태양 전지의 전체에 균일해지도록 주입하고, 색소 증감형 태양 전지를 제작하였다.
한편, 하이브리드 패널을 구성하는 집열 패널은, 도 14에 도시하는 바와 같이, 상부 플레이트(111)로서 자외선 투과율이 높은 아크릴수지 플레이트를 이용하고, 두께 2 ㎜인 10 ㎝ 각의 것을 이용하였다. 이것에 열매체의 유로(112)를 형성한 두께 2 ㎜의 아크릴수지 플레이트로 이루어지는 하부 플레이트(113)를 접합시켰다. 접합에는 순간 접착제를 이용하였다.
이 유로(112)를 형성한 하부 플레이트(113)의 유로의 출입구에 냉각 매체를 순환시키기 위한 조인트를 형성하고, 집열 패널(110)을 제작하였다.
제작한 집열 패널(121)을 색소 증감형 태양 전지(122)의 수광부측에 중첩하고, 접착면에는 에폭시 수지계의 접착제를 도포하여 설치하며, 냉각 매체의 누설이 없도록 밀봉하여, 하이브리드 패널(120)을 제작하였다. 이 하이브리드 패널(120)의 이면측, 색소 증감형 태양 전지(122)의 배면에 두께 1 ㎝의 다공질 우레탄폼(123)을 접착하여, 보온성을 갖게 하였다. 이 위에 추가로 폴리에틸렌필름(124)을 접착제로 부착하였다. 또한, 집열 패널(121)에는, 매체 파이프(125)가 주름 상자 형상으로 배관되고, 그 집열 패널의 측부 가장자리 부분에 열매체 출입구(126)가 마련된다. 그리고 색소 증감형 태양 전지(122)의 측부 가장자리 부분에는, 전력 출력선(127)이 접속된다. 이와 같이 하여 제작한 하이브리드 패널(120)의 전체의 개략을 도 15에 도시하였다. 이 하이브리드 패널을 실시예 1로 한다.
이상과 같은 본 발명의 하이브리드 패널에 대한, 종래의 비교예로서, 색소 증감형 태양 전지 대신에, 다결정 실리콘 태양 전지를 이용하여 유사한 구성으로 제작하였다. 이 하이브리드 패널을 비교예 1로 한다. 그리고, 수광하는 부분을 동일한 면적의 10 ㎝ 각(角)이 되도록 차광하여, 양자의 특성을 비교하였다. 집열 패널에 흘리는 냉각 매체로서는 에틸렌글리콜액을 이용하고, 열매체를 20 ㏄로 고정하며, 마이크로 펌프에 의해 5 ㏄/min의 유속으로 순환시켰다. 순환에는 발포스티롤에 구멍을 뚫은 부분에 50 ㏄의 덮개가 있는 샘플병을 이용하여, 샘플병 안에 온도 센서를 넣고, 또한 실리콘 튜브를 이용하여 마이크로 펌프를 경유시켜 집열 패널의 열매체의 출입구에 연결하여, 열매체를 순환시켰다. 그리고 광전 변환 효율, 및 열매체의 온도 상승에 대해서 측정하였다.
측정에 있어서는, 실시예 1 및 비교예 1의 하이브리드 패널에서의 색소 증감형 태양 전지의 단락 전류 밀도(Jsc), 개방 전압(Voc), 필 팩터(F.F.), 및 에너지 변환 효율[η(%)]을 측정하였다. 또한, 색소 증감형 태양 전지의 에너지 변환 효율[η(%)]은, 하기의 식(A)로 나타낸다. 여기서, 식(A)중, P0은 입사광 강도[mW㎝-2], Voc는 개방 전압[V], Jsc는 단락 전류 밀도[mA·㎝-2], F.F.는 곡선 인자(Filling Factor)를 나타낸다.
η=100×(Voc×Jsc×F.F.)/P0…식(A)
전지 특성 평가 시험은, 솔라 시뮬레이터(야마시타 전장제(電裝製), 상품명;「YS-100H형」)를 이용하고, AM 필터(AM 1.5)를 통과시킨 크세논램프 광원으로부터 의 유사 태양광의 조사 조건을, 100 mW/㎝2로 하는(소위 「1Sun」의 조사 조건) 측정 조건 하에서 수행하였다. 광전 변환 효율의 결과를 표 1에 나타낸다. 또한, 5시간 후의 열매체의 액체 온도의 변화를 측정한 결과를 표 2에 나타낸다.
[표 1]
Figure 112009042154065-PCT00001
[표 2]
Figure 112009042154065-PCT00002
이 결과로부터, 색소 증감형 태양 전지를 이용한 실시예 1의 광전 변환 효율은, 약간 실리콘형 태양 전지를 이용한 비교예 1에 비해 작지만, 한편 액체 온도의 상승량은 크고, 실리콘형 태양 전지를 이용한 비교예 1의 것에 비해 좋은 것을 알 수 있었다. 따라서, 하이브리드 패널로서 이용한 경우에는, 색소 증감형 태양 전지 위에 집열 패널을 중첩한 구성의 실시예 1이, 집열 특성이 더 향상하는 것을 알 수 있었다.
[검증 2]
다음에, 실시예 1에서의 색소 증감형 태양 전지와 집열 패널의 적층 순서를 역으로 한 구성, 즉 집열 패널 위에 색소 증감형 태양 전지를 중첩하여 설치하고, 실시예 2로 하였다. 그 구성을 도 16에 도시한다. 제작한 집열 패널(131) 위에 색소 증감형 태양 전지(132)를 중첩하여, 접착면에는 에폭시 수지계의 접착제를 도포하여 설치하고, 냉각 매체의 누설이 없도록 밀봉하여, 하이브리드 패널(130)을 제작하였다. 이 하이브리드 패널(130)의 이면측, 집열 패널(131)의 배면에 두께 1 ㎝의 다공질 우레탄폼(133)을 접착하여, 보온성을 갖게 하였다. 이 위에 추가로 폴리에틸렌필름(134)을 접착제로 부착하였다. 또한, 집열 패널(131)의 측부 가장자리 부분에 열매체 출입구(135)가 마련된다. 그리고 색소 증감형 태양 전지(132)의 측부 가장자리 부분에는, 전력 출력선(136)이 접속된다. 또한, 이 실시예 2의 색소 증감형 태양 전지 대신에, 다결정 실리콘 태양 전지를 이용하여 유사한 구성을 비교예 2로 하였다. 이 실시예 2 및 비교예 2의 광전 변환 효율, 및 열매체의 온도 상승에 대해서 측정하였다. 측정 조건은 전술한 실시예 1과 동일하게 하였다. 이 실시예 2 및 비교예 2에서의 광전 변환 효율의 결과를 표 3에 나타낸다. 또한 5시간 후의 열매체의 액체 온도의 변화를 측정한 결과를 표 4에 나타낸다.
[표 3]
Figure 112009042154065-PCT00003
[표 4]
Figure 112009042154065-PCT00004
이 결과로부터, 색소 증감형 태양 전지를 이용한 실시예 2의 광전 변환 효율 은, 실리콘형 태양 전지를 이용한 비교예 2에 비해 약간 작지만, 한편 액체 온도의 상승량은 크고, 실리콘형 태양 전지를 이용한 비교예 2의 것에 비해 양호한 것을 알 수 있었다. 따라서, 하이브리드 패널로서 이용한 경우에는, 집열 패널 위에 색소 증감형 태양 전지를 중첩한 구성의 실시예 2가, 집열 특성이 더 향상되는 것을 알 수 있었다.
[검증 3]
실시예 1에서, 집열 패널의 하부 플레이트의 표면에 카본 10 중량%를 포함시킨 에폭시계 접착제를 두께 10 ㎛ 정도로 도포하여 경화시켰다. 이 때, 색소 증감형 태양 전지의 양극측이 되는 Pt를 담지한 유리 기판에는 알루미늄의 증착은 수행하지 않고, 투과광은 집열 패널측에서 흡수하도록 하였다. 이 집열 패널을 색소 증감형 태양 전지의 배면에 설치하고, 실시예 3으로 하였다. 또한, 이 실시예 3의 색소 증감형 태양 전지 대신에, 다결정 실리콘 태양 전지를 이용하여 유사한 구성을 비교예 3으로 하였다. 이 실시예 3 및 비교예 3의 광전 변환 효율, 및 열매체의 온도 상승에 대해서 측정하였다. 측정 조건은 전술한 실시예 1과 동일하게 하였다. 이 실시예 3 및 비교예 3에서의 광전 변환 효율의 결과를 표 5에 나타낸다. 또한, 5시간 후의 열매체의 액체 온도의 변화를 측정한 결과를 표 6에 나타낸다.
[표 5]
Figure 112009042154065-PCT00005
[표 6]
Figure 112009042154065-PCT00006
이 결과로부터, 색소 증감형 태양 전지를 이용한 실시예 3의 광전 변환 효율은, 실리콘형 태양 전지를 이용한 비교예 3에 비해 약간 작지만, 한편 액체 온도의 상승량은 크고, 실리콘형 태양 전지를 이용한 비교예 3의 것에 비해 좋은 것을 알 수 있었다. 또한, 색소 증감형 태양 전지의 배면에 설치한 집열 패널에 광흡수성의 막을 형성함으로써, 집열성이 개선되는 것이 판명되었다.
[검증 4]
하이브리드 패널을 구성하는 색소 증감형 태양 전지는, 지지 기판으로서 소다 석회 유리판에 투명 도전막을 형성한 유리판(일본판 유리제)을 절단하여 두께 3 ㎜, 10 ㎝ 각으로 한 유리판을 이용하였다. 이 유리 기판에서 투명 도전막이 형성되어 있는 면에 스크린인쇄법에 의해 산화티탄 페이스트(SOLARONIX 제품명: Nanoxide HT)를 5 ㎛의 두께로 도포하였다. 도포한 막을 450℃로 1시간 소성하였다. 이 위에 추가로 산화티탄 페이스트(SOLARONIX 제품명: Nanoxide D)를 적절하게 도포하였다. 이 때의 두께를 단계적으로 1.2 ㎛, 3.2 ㎛, 5.4 ㎛, 8.2 ㎛, 15.3 ㎛, 19.5 ㎛로 하고, 실시예 4∼9로 하였다. 그리고, 색소 흡착의 전극막의 두께에 의해 광의 흡수율을 변경하여 집열 효과를 조사하였다.
이 산화티탄 페이스트(SOLARONIX 제품명: Nanoxide D)를 도포한 막을 450℃에서 1시간 소성하였다. 이 위에 추가로 평균 입자 지름 200 ㎚의 산화규소와 산 화규소의 겔을 동등한 량으로 섞은 가루를 페이스트화하고 도포하여 10 ㎛의 두께로 하고, 450℃에서 1시간 소성하였다. 그 후, 유기 색소(케미클레어 제품명: D120)를 농도 5×10-4 몰/리터로 한 에탄올 용액에 침지하여 8시간 유지하였다. 그리고 무수 에탄올에 침지하여 과잉의 색소를 제거하고, 100℃로 건조하였다. 이 전극막을 형성할 때에는 유리판의 둘레 단부로부터 3 ㎜의 부분에는 산화티탄 페이스트가 잘 붙지 않도록 인쇄하고, 이 유리판의 둘레 단부에는 외측으로부터 내측에 두께 60 ㎛의 하이미란[미츠이듀퐁 폴리케미컬사제의 스페이서 S(상품명: 하이미란)]을 폭 3 ㎜로 부착시켰다.
대극이 되는 도전성 막을 형성한 유리 기판 한 장에는, 투명 도전막에 스퍼터법에 의해 Pt를 50 ㎚ 성막하고, 드릴에 의해 직경 1 ㎜의 구멍을 4 지점, 각각의 각(角)으로 형성하였다. 이 2장의 유리 기판 사이에 10 gf/㎝2의 하중을 걸었다. 이 상태에서 120℃로 하이미란(상품명)에 의해 열 융착시켰다. 제작한 셀에 LiI와 I2를 녹인 아세토니트릴 전해액을 주입구로부터 넣고, 색소 증감형 태양 전지의 전체에 균일해지도록 주입하여, 색소 증감형 태양 전지를 제작하였다.
한편, 하이브리드 패널을 구성하는 집열 패널은, 도 14에 도시하는 바와 같이, 상부 플레이트(111로)로서 자외선 투과율이 높은 아크릴수지 플레이트를 이용하고, 두께 2 ㎜인 10 ㎝ 각(角)의 것을 이용하였다. 이것에 열매체의 유로(112)를 형성한 두께 2 ㎜의 아크릴수지 플레이트로 이루어지는 하부 플레이트(113)를 접합시켰다. 접합에는 순간 접착제를 이용하였다. 이 유로(112)를 형성한 하부 플레이트(113)의 유로의 출입구에 냉각 매체를 순환시키기 위한 조인트를 형성하고, 집열 패널(110)을 제작하였다.
제작한 집열 패널(141)을 색소 증감형 태양 전지(142)의 수광부측에 중첩하고, 접착면에는 에폭시 수지계의 접착제를 도포하여 설치하며, 냉각 매체의 누설이 없도록 밀봉하였다. 이 제작한 하이브리드 패널(140)의 이면측, 색소 증감형 태양 전지의 배면에 두께 1 ㎝의 다공질 우레탄폼(143)을 접착하여, 보온성을 갖게 하였다. 이 위에 추가로 폴리에틸렌필름(144)을 접착제로 부착하였다. 또한, 집열 패널(141)에는, 매체 파이프(145)가 주름 상자 형상으로 배관되고, 그 집열 패널의 측부 가장자리 부분에 열매체 출입구(146)가 마련된다. 그리고 색소 증감형 태양 전지(142)의 측부 가장자리 부분에는, 전력 출력선(147)이 접속된다. 또한, 색소 증감형 태양 전지의 배면에 알루미늄박(148)이 성막되어 있어도 좋다. 이와 같이 하여 제작한 하이브리드 패널(140)의 전체의 개략을 도 17에 도시한다.
집열 패널에 흘리는 냉각 매체로서는 에틸렌 글리콜액을 이용하여, 열매체를 20 ㏄로 고정하고, 마이크로 펌프에 의해 5 ㏄/min의 유속으로 순환시켰다. 순환에는 발포스티롤에 구멍을 뚫은 부분에 50 ㏄의 덮개가 있는 샘플병을 이용하여, 샘플병 안에 온도 센서를 넣고, 또한 실리콘 튜브를 이용하여 마이크로 펌프를 경유시켜 집열 패널의 열매체의 출입구에 연결하며, 열매체를 순환시켰다. 그리고, 광전 변환 효율, 및 열매체의 온도 상승에 대해서 측정하였다.
전지 특성 평가 시험은, 솔라 시뮬레이터(야마시타 전장제, 상품명 「YS-100H형」)를 이용하여, AM 필터(AM 1.5)를 통과시킨 크세논 램프 광원으로부터의 유사 태양광의 조사 조건을, 100 mW/㎝2로 하는(소위 「1 Sun」의 조사 조건) 측정 조건 하에서 수행하였다. 산화티탄 막 두께를 단계적으로 바꾼 실시예 4∼9에서의 광전 변환 효율의 결과를 표 7에 나타낸다. 또한 5시간 후의 열매체의 액체 온도의 변화를 측정한 결과를 표 8에 나타낸다.
[표 7]
Figure 112009042154065-PCT00007
[표 8]
Figure 112009042154065-PCT00008
이 결과로부터, 색소 증감형 태양 전지의 광전 변환 효율은 광흡수성의 다공질 전극막의 막 두께를 변경하는 것에 의해 개선되는 것을 알 수 있고, 막 두께를 두껍게 할수록 광흡수성이 개선되어 집열 효과도 개선되는 것을 알 수 있었다.
본 발명의 태양광 발전 집열 유닛(하이브리드 패널)에 의하면, 태양광에 포함되는 적외선 영역(열선)의 광에 의해 집열 패널에 흐르는 열매체를 가열하고, 주 로 자외선 영역의 광에 의해 색소 증감형 태양 전지로 광전 변환에 의해 발전을 수행하기 때문에, 태양광을 폭넓은 파장 영역에 걸쳐 유효하게 이용할 수 있고, 열, 및 전력을 취출할 수 있다. 또한 집열 패널을 흐르는 열매체에 색소 증감형 태양 전지의 열을 흡수시켜, 색소 증감형 태양 전지를 냉각할 수 있기 때문에, 발전 효율을 양호하게 유지하고, 색소 증감형 태양 전지의 열화를 방지할 수 있다. 또한 건조물의 한정된 면적의 지붕 등을 유효하게 이용하여, 태양광으로부터 열 및 전력을 효율적으로 얻을 수 있다. 따라서, 산업상 매우 유용하다.

Claims (6)

  1. 태양광으로부터 광전 변환에 의해 전력을 취출하는 색소 증감형 태양 전지와, 이 색소 증감형 태양 전지에 중첩하여 배치되고, 태양광의 열에너지에 의해 열매체를 가열하는 집열 패널을 구비하는 태양광 발전 집열 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열매체는, 상기 색소 증감형 태양 전지와의 사이에서 열교환을 행하는 것인 태양광 발전 집열 유닛.
  3. 제2항에 있어서, 상기 태양광 발전 집열 유닛은, 상기 열매체와의 열교환에 의해, 60℃ 이하로 유지되고, 상기 열매체는, 태양광 발전 집열 유닛의 외부에서, 2차 열매체와의 사이에서 열교환을 더 행하는 것인 태양광 발전 집열 유닛.
  4. 제1항에 있어서, 상기 색소 증감형 태양 전지 또는 집열 패널 중 어느 하나는, 다른 하나가 주로 흡수하는 파장 영역의 태양광을 투과시키는 것인 태양광 발전 집열 유닛.
  5. 제4항에 있어서, 상기 집열 패널은, 태양광 발전 집열 유닛에 입사한 태양광 중 적외선 영역을 주체로 하여 흡수하고, 상기 색소 증감형 태양 전지는 상기 적외선 영역 이외의 파장 영역의 태양광을 주체로 하여 흡수하여 광전 변환을 행하는 것인 태양광 발전 집열 유닛.
  6. 제1항에 있어서, 상기 색소 증감형 태양 전지를 구성하는 색소 증감형 태양 전지의 음극을 이루는 다공질 전극막의 두께는, 5 마이크론 이상인 것인 태양광 발전 집열 유닛.
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