KR20100006822A - 염료감응 태양전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제 1 전극(6)이 연결설치된 제 1 기판(2); 상기 제 1 기판(2)에 대향되는 타측에 연결설치되고 그 일측면에 상기 제 1 전극(2)에 대향되도록 제 2 전극(8)이 연결설치된 제 2 기판(4); 상기 제 1 기판(2) 및 제 2 기판(4) 사이에 충진된 전해질(18); 및 상기 전해질(18)이 외부로 누출되지 않도록 밀봉하는 밀봉부재(14)를 포함하는 염료감응 태양전지를 적어도 두 개 이상 구비하되, 상기 각각의 염료감응 태양전지가 그리드(10)로 서로 연결설치되는 염료감응 태양전지 모듈에 있어서, 상기 그리드(10)가 양측 말단의 벽면(20)으로부터 일정거리만큼 이격되고, 상기 염료감응 태양전지에 충진되는 전해질(18)을 주입하기 위한 주입구(12)가 구비되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈에 관한 것이다.
염료감응, 태양전지, 모듈, 그리드, 모세관
Description
본 발명은 염료감응 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극이 구비된 기판과 기판 사이에 전해질이 충진된 다수의 염료감응 태양전지를 금속 그리드로 서로 연결설치할 경우, 상기 금속 그리드와 염료감응 태양전지의 벽면 사이의 간격을 이격시켜 전해질이 이동할 수 있는 통로를 제공함으로써, 염료감응 태양전지로 전해질을 주입하기 위해 구비되는 주입구의 개수를 줄여 전해질의 누액 가능성을 감소시키는 염료감응 태양전지 모듈에 관한 것이다.
염료감응 태양전지 중에서 대표적인 것으로는 1991년도 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPEL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 등이 개발한 나노입자 산화티타늄을 이용한 염료감응 태양전지가 있다. 이 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조단가가 저렴하고 전극이 투명하여 건물 외벽 유리창이나 유리 온실 등에 응용이 가능하다는 이점이 있으나, 광전변환 효율이 낮아 실제 적용에는 제한이 있다.
이러한 염료감응 태양전지는 염료분자가 흡착된 나노 결정 산화물 필름이 코팅된 투명의 전도성 전극, 금속 플라티늄 등이 코팅된 상대전극 및 산화-환원의 작용을 하는 전해질로 구성된다.
이와 같은 구성을 갖는 염료감응 태양전지는 하나의 기판에 하나의 염료감응 태양전지를 구비시켜 사용하거나, 하나의 기판 위에 다수개의 염료감응 태양전지를 서로 연결시켜 모듈 형태로 사용하게 된다.
여기서, 상기 다수의 염료감응 태양전지를 연결설치하여 사용하는 염료감응 태양전지 모듈은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제트-시리즈(Z-series) 형태의 직렬 모듈로 제작되어 사용될 수 있는바, 두 개의 판상 투명전극으로서 제 1 기판(2) 및 제 2 기판(4)이 서로 접합된 샌드위치 구조를 갖고, 하나의 투명전극인 제 1 기판(2)의 이면에 이산화티타늄 등으로 구성된 도전성 제 1 전극(6)을 구비하고, 다른 하나의 투명전극인 제 2 기판(4)에 백금 등으로 구성된 상대전극인 제 2 전극(8)을 구비하고, 상기 제 1 전극(6) 및 제 2 전극(8)이 각각 구비된 제 1 기판(2) 및 제 2 기판(4) 사이의 공간에 전해질(18)이 충진된 형태를 하나의 단위 셀(cell)로 하여 다수의 셀을 금속 그리드(10)로 서로 연결설치하여 구성한다.
이때, 상기 그리드(10)는 통상적으로 전해질(18)에 취약하므로 상기 그리드(10)의 외부를 밀봉부재(14)로 감싸 전해질(18)과 접촉되는 것을 방지하고, 전체 염료감응 태양전지 모듈을 구성하는 염료감응 태양전지 중 외측에 위치하는 염료감응 태양전지의 벽면을 밀봉부재(14)로 마감시켜 전해질(18)이 외부로 누액되는 것을 방지한다.
또한, 상기 각각의 염료감응 태양전지의 사이에 구비되는 그리드(10)와 이웃하게 기판(2, 4) 표면에 코팅된 도전성 필름(22)에 에칭부(16)를 구비시켜 염료감응 태양전지 내부에서 발생하는 전자가 다른 염료감응 태양전지로 병렬로 흐르지 않도록 한다.
한편, 상기 금속 그리드(10)는 염료감응 태양전지인 셀의 경계면으로서, 상기 셀의 일측 벽면으로부터 이에 대향되는 타측 벽면까지 연장되도록 연결설치되어 셀, 즉 염료감응 태양전지에 충진된 전해질(18)이 다른 염료감응 태양전지로 이동되지 못하도록 구성된다.
그러므로 상기 염료감응 태양전지 각각에 전해질(18)을 주입하기 위해서는 해당 염료감응 태양전지마다 전해질 주입구(12)가 별도로 두 개 구비된다.
이와 같은 종래의 염료감응 태양전지를 다수개 연결설치한 염료감응 태양전지 모듈은 주로 건자재 일체형 광전변환(BIPV, building integrated photovoltaic) 분야에 적용되므로 모듈의 내부 구성이 안정적이어야 하지만, 다수의 전해질 주입구가 구비되어 있으므로 전해질 주입구와 측면 격벽을 통해 전해질이 누액될 가능성이 높고, 전해질이 누액되었을 경우 이를 복구하기 곤란하여 염료감응 태양전지의 상용화에 문제점으로 작용하고 있다.
본 발명은 염료감응 태양전지를 모듈에 구비되는 전해질 주입구의 개수를 줄 여 염료감응 태양전지에 포함된 전해질의 누액 가능성을 감소시키고 그 공정을 단순화하는 것에 해결하고자 하는 과제가 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지 모듈은 제 1 전극이 연결설치된 제 1 기판; 상기 제 1 기판에 대향되는 타측에 연결설치되고 그 일측면에 상기 제 1 전극에 대향되도록 제 2 전극이 연결설치된 제 2 기판; 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 충진된 전해질; 및 상기 전해질이 외부로 누출되지 않도록 밀봉하는 밀봉부재를 포함하는 염료감응 태양전지를 적어도 두 개 이상 구비하되, 상기 각각의 염료감응 태양전지가 그리드로 서로 연결설치되는 염료감응 태양전지 모듈에 있어서, 상기 그리드가 양측 말단의 벽면으로부터 일정거리만큼 이격되고, 상기 염료감응 태양전지에 충진되는 전해질을 주입하기 위한 주입구가 구비되도록 구성된 것을 과제 해결 수단으로 한다.
본 발명은 염료감응 태양전지 모듈은 염료감응 태양전지로 전해질을 공급하기 위한 전해질 주입구의 개수를 줄임으로써, 염료감응 태양전지의 전해질이 외부로 누액되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 제 1 전극이 연결설치된 제 1 기판; 상기 제 1 기판에 대향되는 타측에 연결설치되고 그 일측면에 상기 제 1 전극에 대향되도록 제 2 전극이 연결설치된 제 2 기판; 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 충진된 전해질; 및 상기 전해질이 외부로 누출되지 않도록 밀봉하는 밀봉부재를 포함하는 염료감응 태양전지를 적어도 두 개 이상 구비하되, 상기 각각의 염료감응 태양전지가 그리드로 서로 연결설치되는 염료감응 태양전지 모듈에 있어서,
상기 그리드가 양측 말단의 벽면으로부터 일정거리만큼 이격되고, 상기 염료감응 태양전지에 충진되는 전해질을 주입하기 위한 주입구가 구비되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈을 제공한다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 하기의 설명은 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 하기 설명에 의해 본 발명의 범위로 한정하는 것은 아니다.
도 3은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 나타내는 평면도, 도 4는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 나타내는 단면도, 도 5는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 전해질 주입구의 형태를 나타내는 구성도로서 함께 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지 모듈은 거시적인 관점에서 하나의 염료감응 태양전지를 다수개, 특정적으로 적어도 두 개 이상 서로 연결설치하여 구성된다.
상기 염료감응 태양전지는 제 1 전극(6)이 연결설치된 제 1 기판(2); 상기 제 1 기판(2)에 대향되는 타측에 연결설치되고 그 일측면에 상기 제 1 전극(2)에 대향되도록 제 2 전극(8)이 연결설치된 제 2 기판(4); 상기 제 1 기판(2) 및 제 2 기판(4) 사이에 충진된 전해질(18); 및 상기 전해질(18)이 외부로 누출되지 않도록 밀봉하는 밀봉부재(14)를 포함한다.
여기서, 상기 제 1 기판(2) 및 제 2 기판(4)은 빛, 특정적으로 태양광이 투과하는 동시에 염료감응 태양전지의 외관을 제공하는 것으로서, 이러한 목적으로 사용되는 당업계의 통상적인 기판이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 폴리에테르술폰(PES, polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(PAR, polyacrylate), 폴리에테르 이미드(PEI, polyetherimide), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN, polyethylen napthalate), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(PET, polyethyeleneterepthalate), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide: PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리 아세테이트(TAC), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate: CAP) 중 적어도 하나를 포함하는 플라스틱재 또는 유리재를 사용하는 것이 좋다.
이때, 상기 제 1 기판(2) 및 제 2 기판(4)의 일측 표면에는 염료감응 태양전지에 제공된 가시광선을 염료가 흡수하며 여기된 전자가 이동하는 경로로서 전도성 물질, 예를 들면 ITO, FTO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), SnO2-Sb2O3 등을 포함하는 전도성 필름(22)이 더 코팅된다.
본 발명에 따른 제 1 전극(6)은 상기 제 1 기판(2)의 표면 일측, 특정적으로 전도성 필름(22)의 상부 일측에 구비되어 음극(-) 역할을 하는 것으로서, 통상적으로 나노 다공질막의 형태로 존재하는 TiO2, ZnO, SnO2 등과 같은 넓은 밴드갭을 가진 n형 산화물로 구성되는 것이 좋고, 이 표면에 단분자 층의 염료가 흡착됨으로써 태양광이 입사되면, 염료속의 페르미 에너지 부근의 전자가 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기된다.
본 발명에 따른 제 2 전극(8)은 상기 제 2 기판(4)의 표면 일측, 특정적으로 전도성 필름(22)의 상부 일측에 구비되어 전해질 속에 있는 이온의 산화-환원 반응의 촉매로 작용하여 표면에서의 산화-환원 반응을 통해 전해질 속의 이온에 전자를 제공하는 상대전극인 양극(+) 역할을 하는 것으로서, 이러한 목적을 위해 당업계에서 통상적으로 사용되는 전극이라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 탄소나노튜브, 나노 카본블랙, 그래파이트 분말, 전도성 고분자 및 백금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 사용하는 것이 좋다.
본 발명에 따른 전해질(18)은 제 1 전극(6)이 구비된 제 1 기판(2) 및 제 2 전극(8)이 구비된 제 2 기판(4) 사이의 공간에 충진되어 산화-환원반응에 의하여 전자를 전달하는 역할을 하는 것으로서, 이러한 목적을 위한 당업계의 통상적인 전해질이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 테트라프로필암모늄 아이오다이드(tetrapropylammonium iodide), 요오드(I2), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 아세토나이트릴(acetonitrile) 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 좋다.
본 발명에 따른 밀봉부재(14)는 염료감응 태양전지 내부에 구비되는 전해질(18)이 외부로 누액되지 않도록 하거나, 본 발명에 따른 그리드(10), 특정적으로 금속 그리드(10)가 전해질과 접촉되지 못하도록 하기 위한 것으로서, 이러한 목적을 위한 당업계의 통상적인 밀봉부재(14)라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 제 1 기판(2) 및 제 2 기판(4)에 대한 계면 친화도 및 부착력이 좋고, 전해질에 대한 내구력을 갖는 물질을 사용하는 것이 좋으며, 추천하기로는 열가소성 고분자 필름을 사용할 수 있는데, 그 일례로서 상품명 설린(surlyn)이 있다.
이러한 열가소성 고분자 필름을 두 기판 사이에 위치시킨 후 열압착할 수 있다. 이 외에도 에폭시 수지 또는 자외선 경화제 등을 사용할 수 있으며, 이러한 경우 열처리 또는 자외선 처리 후 경화시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지 모듈은 전술한 염료감응 태양전지를 적어도 두 개 이상 구비하되, 상기 각각의 염료감응 태양전지가 그리드(10), 특정적으로 금속 그리드(10)를 통해 서로 연결설치된다.
이때, 상기 그리드(10)는 각각의 염료감응 태양전지의 경계면인 동시에 각각의 염료감응 태양전지에서 생성된 전자의 이동경로를 제공하는 것으로서, 그 형태는 길이방향을 기준으로 양측 말단이 벽면(20), 특정적으로 염료감응 태양전지의 벽면(20)으로부터 일정거리, 예를 들면 1 내지 2mm 만큼 이격되어 상기 이격된 공 간으로 전해질이 용이하게 이동, 바람직하게는 모세관 현상에 따라 이동할 수 있도록 구성된다.
이때, 상기 그리드(10)는 전해질(18)에 의해 용이하게 부식될 수 있으므로 밀봉부재(14)로 덥혀 전해질(18)과 접촉되지 않도록 한다.
특히, 종래 염료감응 태양전지 모듈을 구성하는 그리드(10)는 염료감응 태양전지의 벽면(20)으로부터 이에 대향되는 타측 벽면(20)까지 확장되도록 구비되어 각각의 염료감응 태양전지 내부가 서로 격리됨으로써 해당 전해질이 다른 염료감응 태양전지 내부로 이동될 수 없게 구성되어, 각각의 염료감응 태양전지에 전해질을 주입할 수 있는 전해질 주입구를 각각 구비시켜야 하지만, 본 발명에 따른 그리드(10)는 벽면(20)으로부터 이격된 공간으로 전해질이 용이하게 이동되므로 전체 염료감응 태양전지 모듈을 구성하는 염료감응 태양전지 중 하나 또는 두 개에 별도로 전해질 주입구(12)를 구비시켜 전체 염료감응 태양전지에 전해질(18)을 주입시킬 수 있다.
이때, 상기 전해질 주입구(12)는 염료감응 태양전지 모듈의 외측에 위치하는 염료감응 태양전지에 각각 구비되는 것이 좋다.
또한, 상기 전해질 주입구(12)는 염료감응 태양전지의 상단 표면 일측에 형성될 수 있지만, 필요에 따라 도 5에 도시된 바와 같이 염료감응 태양전지를 구성하는 제 1 기판(2) 및 제 2 기판(4)의 측면에 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 전해질 주입구(12)는 접착제 등에 의해 영구적으로 폐쇄될 수도 있지만, 상기 주입구(12)를 개폐시킬 수 있는 마개(미도시)를 별도로 구 비시켜 필요에 따라 전해질(18)을 교체하거나 충전할 수 있도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 제 1 기판(2) 및 제 2 기판(4)의 표면에 코팅되어 구비되는 전도성 필름(22)의 경우, 하나의 염료감응 태양전지에서 여기된 전자가 이동되는 경로를 제공하는바, 이러한 전자의 이동이 병렬흐름을 갖지 못하도록 상기 그리드(10)와 연결설치되는 제 1 기판(2) 및 제 2 기판(4) 표면 일측에 전자가 제 1 기판(2) 및 제 2 기판(4)을 따라 병렬로 이동하지 못하도록 단절되는 에칭부(16)가 더 구비된다.
전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 사용양태를 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 제 1 기판(2)으로 태양광이 입사되면, 상기 제 1 기판(2)에 구비되는 염료가 부착된 제 1 전극(6)의 염료속의 페르미 에너지 부근의 전자가 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기된다.
이때, 전자가 빠져나간 하위 준위의 빈자리, 즉 산화된 염료는 전해질 속의 이온이 전자를 제공함으로써 다시 채워지고, 염료에 전자를 제공한 이온은 양극인 제 2 전극(8)으로 이동하여 전자를 제공(환원)받는다.
그 다음, 여기된 염료의 전자는 제 1 전극(6) 및 제 1 기판(2)에 구비된 전도성 필름(22)을 순차적으로 통과하여 그리드(10)로 이동된다. 이때, 그리드(10)와 이웃하는 위치에 구비된 제 1 기판(2) 및/또는 제 2 기판(4)의 표면, 즉 전도성 필름(22)에 전자가 이동하지 못하도록 에칭부(16)가 형성되어 전자가 제 1 기판(2) 및/또는 제 2 기판(4)의 전도성 필름(22)을 따라 병렬흐름을 하지 못하도록 한다.
그 다음 상기 그리드(10)를 따라 이동한 전자는 제 2 기판(4)에 구비된 전도성 필름(22) 및 제 2 전극(8)을 순차적으로 통과하여 다른 염료감응 태양전지로 이동한다.
그 다음, 전술한 과정을 거쳐 직렬로 이동한 전자는 염료감응 태양전지의 일측에 구비되는 전극으로 이동한 후 외부회로로 이동한다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시 예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 종래의 염료감응 태양전지의 구성을 나타내는 평면도,
도 2는 종래의 염료감응 태양전지의 구성을 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 나타내는 평면도,
도 4는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 나타내는 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 전해질 주입구의 형태를 나타내는 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
2 : 제 1 기판 4 : 제 2 기판
6 : 제 1 전극 8 : 제 2 전극
10 : 그리드 12 : 전해질 주입구
14 : 밀봉부재 16 : 에칭부
18 : 전해질 20 : 벽면
Claims (6)
- 제 1 전극이 연결설치된 제 1 기판; 상기 제 1 기판에 대향되는 타측에 연결설치되고 그 일측면에 상기 제 1 전극에 대향되도록 제 2 전극이 연결설치된 제 2 기판; 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 충진된 전해질; 및 상기 전해질이 외부로 누출되지 않도록 밀봉하는 밀봉부재를 포함하는 염료감응 태양전지를 적어도 두 개 이상 구비하되, 상기 각각의 염료감응 태양전지가 그리드로 서로 연결설치되는 염료감응 태양전지 모듈에 있어서,상기 그리드가 양측 말단의 벽면으로부터 일정거리만큼 이격되고, 상기 염료감응 태양전지에 충진되는 전해질을 주입하기 위한 주입구가 구비되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈.
- 제 1항에 있어서,상기 전해질 주입구가 염료감응 태양전지 모듈의 외측에 위치하는 염료감응 태양전지에 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈.
- 제 1항에 있어서,상기 그리드의 말단과 벽면의 이격거리가 1 내지 2mm 인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈.
- 제 1항에 있어서,상기 그리드가 전해질과 접촉되지 않도록 밀봉부재로 덥혀 밀봉되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈.
- 제 1항에 있어서,상기 그리드와 연결설치되는 제 1 기판 및 제 2 기판 표면 일측에 전자가 제 1 기판 및 제 2 기판을 따라 병렬로 이동하지 못하도록 하는 에칭부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈.
- 제 1항에 있어서,상기 전해질 주입구를 개폐할 수 있도록 마개가 더 구비된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈.
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