KR20100041487A - 염료감응형 태양전지 - Google Patents
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Abstract
염료감응형 태양전지가 제공된다.
본 발명은 내측 표면에 전도성 물질이 도포된 제 1 기판; 상기 제 1 기판에 대향하는 제 2 기판; 상기 제 1 기판 및 제 2 기판상에 각각 적층된 제 1 및 제 2 전극; 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 상에 각각 적층되며 상호 결합된 제 1 및 제 2 그리드를 포함하며, 상기 제 1 그리드는 오목부를 구비하여, 상기 제 1 그리드 및 제 2 그리드의 결합은 상기 제 2 그리드가 상기 제 1 그리드의 오목부에 안착함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 제공한다. 본 발명에 의한 염료감응형 태양전지는 제 1 그리드와 제 2 그리드 사이의 결합이 견고하여 내구성이 향상된다.
Description
본 발명은 염료감응형 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 그리드의 결합이 견고하여 이루어짐으로 인해 내구성이 향상된 그리드를 가지는 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
1991년 스위스의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 등에 의해 발표된 것이 대표되는 염료감응형 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조단가가 낮고, 단가 대비 에너지 변화효율이 높으며, 투명성과 구부림이 가능한 셀을 제조할 수 있어 다양한 응용분야에 이용될 수 있는 장점이 있어 주목을 받아 오고 있다. 이러한 염료감응형 태양전지는 빛을 가시광선 영역에서 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료분자와 생성된 전자를 전달하는 이산화티타늄(TiO2) 전이금속산화물이 포함된 광전극과 전해질 용액의 산화환원반응의 촉매 역할을 하는 백금층이 코팅된 상대전극으로 구성된다. 다공질 막의 형태로 존재하는 광전극은 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2)과 같은 넓은 밴드갭을 가진 n형 산화물 반도체로 구성되고, 이 표면에 단분자층의 염료가 흡착되어 있다. 태양광이 태양 전지에 입사되면 염료 속의 페르미 에너지 부근의 전자가 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기 된다. 이때, 전자가 빠져나간 하위 준위의 빈자리는 전해질 속의 이온이 전자를 제공함으로써 다시 채워진다. 염료에 전자를 제공한 이온은 광전극으로 이동하여 전자를 제공받게 된다. 백금 상대전극은 전해질 용액 속에 있는 이온의 산화환원 반응의 촉매로 작용하여 표면에서의 산화 환원 반응을 통하여 전해질 속의 이온에 전자를 제공하는 역할을 한다.
즉, 이러한 염료감응형 태양전지는 염료분자가 흡착된 나노 결정 산화물 필름이 코팅된 투명의 전도성 전극, 금속 플라티늄 등이 코팅된 상대전극 및 산화-환원의 작용을 하는 전해질로 구성되는데, 이때 이와 같은 구성을 갖는 염료강응형 태양전지는 하나의 기판에 하나의 염료감응 태양전지를 구비시켜 사용하거나, 하나의 기판 위에 다수개의 염료감응 태양전지를 서로 연결시켜 모듈 형태로 사용하게 된다.
도 1은 염료감응형 태양전지 구성의 일 실시예를 보여주는 단면도이다. 도 1을 참조하면 염료감응형 태양전지 구성은 제 1 기판(11)과 제 2 기판(41)이 서로 접합된 샌드위치 구조를 갖고, 제 2 기판(41)에 대향되는 제 1 기판(11)의 면에는 FTO 등의 전도성 물질(42)이 있고, 상기 전도성 물질(12) 상에는 TiO2 등의 나노입자 산화물층(50)이 있으며, 상기 산화물층(50) 상에는 염료분자가 흡착되어 있고, 제 1 기판(11)에 대향되는 제 2 기판(41)의 면에는 백금 등의 전극(43)이 코팅되어 있으며, 상기 제 1 기판(11)과 제 2 기판(41) 사이의 공간에는 전해질(70)이 충진 되어 있다. 상기 산화물층(50), 백금 등의 전극(43), 전해질(70)로 이루어진 단위를 하나의 셀(cell)로 하여 다수의 셀을 금속 그리드로 Z-serise 형태의 직렬 모듈로 연결설치하게 되면 염료감응형 태양전지 모듈을 이루게 된다.
도 2는 종래의 그리드(90) 형태를 가지는 염료감응형 태양전지 모듈의 단면도이다. 상기 그리드는 통상적으로 전해질에 취약하므로 상기 그리드의 외부를 밀봉부재(80)로 감싸 전해질(70)과 접촉되는 것을 방지하고, 전체 염료감응 태양전지 중 외측에 위치하는 염료감응 태양전지의 벽면을 밀봉부재로 마감시켜 전해질이 외부로 누액되는 것을 방지한다. 도 2를 참조하면, 염료감응 태양전지 전극 사이에 구비되는 그리드(90)의 형태는 일직선을 이루고 있다. 이때, 종래의 그리드를 구비한 태양전지를 제조하기 위해서는 양 태양전지 전극이 대향되도록 양 기판을 결합시켜야 하는데 이 과정에서 대향되는 양 기판 상에 구비된 각각의 그리드는 서로 맞닿아서 일직선을 이루도록 태양전지를 제조하여야 한다. 이 경우, 제 1 기판(11)에 연결되는 그리드와 제 2 기판(41)에 연결되는 그리드의 폭이 서로 일치하고, 양 그리드 말단이 평평하기 때문에 제 1 기판(11)과 제 2 기판(41)을 접합하는 과정에서 양 그리드의 말단이 정확하게 맞닿아야 하는 문제가 있다. 만약 이 과정에서 양 그리드의 말단이 정확하게 일치하도록 맞닿지 않는다면, 양 그리드가 서로 어긋나서 일직선을 이루지 못하며, 심한 경우에는 양 그리드가 연결되지 못하거나 양 그리드가 연결되어도 상하부 기판으로부터 오는 압력을 유지하지 못해 그리드가 쉽게 손상되어 태양전지 모듈의 기능을 못하게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 염료감응형 태양전지 제조 과정 중에 태양전지 기판의 접합을 용이하게 하고, 접합과정상에서의 그리드의 손상을 감소시키면서, 결합된 그리드의 내구성이 증가된 염료감응형 태양전지를 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 내측 표면에 전도성 물질이 도포된 제 1 기판; 상기 제 1 기판에 대향하는 제 2 기판; 상기 제 1 기판 및 제 2 기판상에 각각 적층된 제 1 및 제 2 전극; 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 상에 각각 적층되며 상호 결합된 제 1 및 제 2 그리드를 포함하며, 상기 제 1 그리드는 오목부를 구비하여, 상기 제 1 그리드 및 제 2 그리드의 결합은 상기 제 2 그리드가 상기 제 1 그리드의 오목부에 안착함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 상기 제 1 그리드는 두 줄의 그리드 형태이며, 상기 두 줄 사이의 경계에 상기 오목부가 구비되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 제공하며, 상기 제 1 그리드 및 제 2 그리드는 스크린 프린트법에 의하여 형성된다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 그리드의 말단은 상기 염료감응형 태양전지의 벽멱과 일정 간격으로 이격되며, 본 발명의 일 실시예에서 상기 간격은 1 내지 2mm이다.
본 발명에 의한 염료감응형 태양전지는 염료감응형 태양전지의 제 1 기판에 연결된 그리드와 제 2 기판에 연결된 그리드는 서로 맞물릴 수 있는 구조를 구비하므로 양 그리드의 결합이 견고하며, 내구성이 향상되어 태양전지의 수명이 증가 된다.
이하 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 내측 표면에 전도성 물질이 도포된 제 1 기판; 상기 제 1 기판에 대향하는 제 2 기판; 상기 제 1 기판 및 제 2 기판상에 각각 적층된 제 1 및 제 2 전극; 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 상에 각각 적층되며 상호 결합된 제 1 및 제 2 그리드를 포함하며, 상기 제 1 그리드는 오목부를 구비하여, 상기 제 1 그리드 및 제 2 그리드의 결합은 상기 제 2 그리드가 상기 제 1 그리드에 안착함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 제공한다. 이때, 상기 제 1 그 두 줄의 그리드 형태이며, 상기 두 줄 사이의 경계부에 상기 오목부가 구비되는 것일 수 있다.
본 발명에 의한 염료감응형 태양전지 모듈에는 양극과 음극을 결합하여 전류를 효율적으로 흐르게 하도록 그리드가 양 전극 사이에 구비되며, 상기 그리드로는 주로 백금, 은, 니켈과 같은 금속이 사용되는데, 바람직하게 단위 셀과 단위 셀을 연결할 때 저항을 효율적으로 낮추게 하기 위해서 은 그리드가 사용된다.
상기 그리드는 제 1 그리드가 구비된 제 1 전극이 연결된 제 1 기판과 제 2 그리드 가 구비된 제 2 전극이 연결된 제 2 기판을 결합시켜 제조될 수 있는데, 상기 양 기판의 결합에 앞서, 각 전극에 그리드를 선상으로 패터닝 시켜야 한다. 그리드의 패터닝 방법에는 은(Ag) 그리드 페이스트를 전극의 표면에 스크린 프린팅법으로 패터닝하는 방법을 들 수 있는데, 본 발명에서는 그리드를 프린팅할 때, 제 1 전극 또는 제 2 전극 중에 어느 한 전극에 대하여는 한 줄로 그리드를 프린팅하며, 나머지 한 전극에 대하여는 두 줄로 프린팅을 함으로써, 한 줄 그리드와 두 줄 그리드가 맞물린 형태를 가지는 그리드가 구비된 염료감응형 태양전지가 얻어지게 된다. 한 전극에 대하여는 그리드가 두 줄이고, 나머지 전극에 대하여 그리드가 한 줄인 본 발명의 경우, 상기 두 줄 그리드의 경계는 페이스트 특성상 함몰된 오목부가 형성되며, 상기 오목부 상에 대응하는 그리드가 안착되는 경우 양 그리드가 서로 잘 맞물려서 안정적으로 유지되는 형태를 가지게 된다. 이는 그리드가 결합이 견고하게 이루어진 형태로 그리드의 내구성이 크게 향상되며, 이로 인해 태양전지의 수명이 크게 늘어나게 된다. 또한 두 줄 그리드를 스크린 프린트법에 의하여 형성하는 것은 상당히 간단하며, 종래의 한 줄 그리드 형성과 공정시간이 실질적으로 동일하기 때문에, 오목부를 형성하기 위한 별도의 공정 시간이 요구되지 않으므로, 공정 경제적이다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 두 줄 그리드를 형성하기 위하여 스크린 프린터용 마스크 제작시 유제를 도포한다음 유제의 가장자리를 깍아 냄으로써 두줄의 오목형 그리드를 쉽게 형성하는 마스크를 제조할 수 있으며, 이러한 마스크를 이용하는 한 두 줄 그리드를 형성하기 위한 별도의 추가적인 공정 시간 소요는 요구되지 않는다.
더 나아가, 종래 기술의 경우 동일한 너비의 한줄 그리드를 정확하게 대응시켜야 하므로, 공정 시간이 상당 소요되고, 만약 정확한 작업이 수행되지 않는다면, 어긋난 페이스트 상태의 초기 금속 그리드는 심각한 변형이 발생하고, 심한 경우 금속 그리드의 단절 등이 발생할 수도 있다. 하지만, 본 발명에서는 두 줄 금속 그리드 내에 한 줄 금속 그리드가 안착하는 방식이므로, 적어도 두 줄 금속 그리드 너비 내에 상기 한 줄 금속 그리드가 위치하는 한, 작업시 변형 등은 발생하지 않게 되고, 또한 이러한 변형을 방지하기 위한 정밀한 공정 또한 필요하지 않게 된다.
도 3은 본 발명에 일 실시예로 사용된 염료감응형 태양전지 모듈의 구성을 나타내는 단면도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예로 사용된 염료감응 태양전지 모듈은 거시적인 관점에서 하나의 염료감응형 태양전지를 다수 개, 특정적으로 적어도 두 개 이상 서로 연결설치하여 구성된다.
상기 염료감응 태양전지는 제 1 전극(44)이 연결설치된 제 1 기판(11); 상기 제 1 기판(11)에 대향되는 타측에 연결설치되고 그 일측면에 상기 제 1 전극(44)에 대향되도록 제 2 전극(43)이 연결설치된 제 2 기판(41); 상기 제 1 전극(44) 및 제 2 전극(43) 사이에 충진된 전해질(70); 및 상기 전해질(70)이 외부로 누출되지 않도록 밀봉하는 밀봉부재(80)를 포함한다. 그리드(90)는 각각의 염료감응 태양전지의 경계면인 동시에 각각의 염료감응 태양전지에서 생성된 전자의 이동경로를 제공한다.
특히 상기 제 2 전극(41) 상의 제 2 그리드(92)는 두 줄 형태이며, 이에 대 응하는 제 1 그리드(93)은 한 줄 형태이다. 이러한 구성의 반대도 가능하며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다. 상기 그리드 간의 결합부를 확대한 그림을 참조하면, 제 1 그리드(93)의 단부가 제 2 그리드(92) 내의 그리드 경계면 상에 형성된 오목부에 안정되게 안착된 것을 알 수 있다.
본 발명은 더 나아가, 그리드의 두께가 넓어짐으로써 유효 면적이 일부 감소되고, 그 결과 전해액의 용량이 일부 줄어드는 문제를 하기의 구성에 의하여 보완하였다.
도 4는 본 발명에 일 실시예로 사용된 염료감응형 태양전지의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 그리드(90)의 형태는 길이방향을 기준으로 양측 말단이 벽면(81), 특정적으로 염료감응 태양전지의 벽면(81)으로부터 일정거리, 예를 들면 약 1 내지 2mm 만큼 이격된 구성을 갖는다. 이 경우 전해질이 태양전지 단위 모듈간 이동할 수 있고, 또한 전체 태양전지 모듈의 전해질 용량은 종래 기술 수준으로 충분히 유지될 수 있다.
더 나아가, 상기 구성은 전해질 주입에 있어서 발생하는 문제를 방지할 수 있는데, 즉, 종래 염료감응형 태양전지 모듈을 구성하는 그리드는 염료감응 태양전지의 벽면으로부터 이에 대향되는 타측 벽면까지 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 주입구(71)를 각각 구비시켜야 하지만, 본 발명의 일 실시예로 사용한 그리드(90)는 벽면으로부터 이격된 공간으로 전해질이 용이하게 이동되므로 전체 염료감응 태양전지에 전해질을 주입시킬 수 있다.
여기서, 상기 제 1 기판(11) 및 제 2 기판(41)은 빛, 특정적으로 태양광이 투과하는 동시에 염료감응 태양전지의 외관을 제공하는 것으로서, 이러한 목적으로 사용되는 당업계의 통상적인 기판이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 폴리에테르술폰(polyethersulphone:PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate:PAR), 폴리에테르이미드(polyetherimide:PEI), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate:PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이드(polyethyleneterephthalate:PET), 폴리페닐렌설파이드(polypheylenesulfide:PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(polycarbonate:PC), 셀룰로오스트리아세테이트(cellulosetriacetate:CAP) 중 적어도 하나를 포함하는 플라스틱재 또는 유리재를 사용하는 것이 좋다.
상기 제 1 기판(11) 및 제 2 기판(41)의 일측 표면에는 염료감응 태양전지에 제공된 가시광선을 염료가 흡수하며 여기된 전자가 이동하는 경로로서 전도성 물질(42), 예를 들면 ITO, FTO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), SnO2-Sb2O3 등을 포함하는 전도성 물질이 더 코팅된다.
상기 전도성 물질(42)이 코팅된 제 1 기판(11)의 상기 전도성 물질 표면에는 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, 염료 속의 페르미 에너지 부근의 전자가 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기된다.
제 2 전극(43)은 제 2 기판(41)의 표면 일측, 특정적으로 전도성 물질(42)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 발명의 일 실시예로 사용되는 태양전지에 주입되는 전해질(70)은 제 1 전극(44)이 구비된 제 1 기판(11) 및 제 2 전극(43)이 구비된 제 2 기판(41) 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 발명의 일 실시예로 사용되는 태양전지의 밀봉부재(80)는 염료감응 태양 전지 내부에 구비되는 전해질이 외부로 누액 되지 않도록 하거나, 본 발명에 따른 그리드, 특정적으로 금속 그리드(90)가 전해질과 접촉되지 못하도록 하기 위한 것으로서, 이러한 목적을 위한 당업계의 통상적인 밀봉부재라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 제 1 기판(11) 및 제 2 기판(41)에 대한 계면 친화도 및 부착력이 좋고, 전해질에 대한 내구력을 갖는 물질을 사용하는 것이 좋으며, 추천하기로는 열가소성 고분자 필름을 사용할 수 있는데, 그 일례로서 듀퐁사에서 제조된 상품명으로 썰린(surlyn)이 있다.
전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 사용양태를 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 제 1 기판(11)으로 태양광이 입사되면, 상기 제 1 기판(11)에 구비되는 염료가 부착된 제 1 전극(44)의 염료속의 페르미 에너지 부근의 전자가 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기되며, 전자가 빠져나간 하위 준위가 제 1 전극(44) 및 제 1 기판(11)에 구비된 전도성 필름(42)을 순차적으로 통과하여 그리드(90)로 이동한다. 이때, 그리드(90)와 이웃하는 위치에 구비된 제 1 기판(11) 및/또는 제 2 기판(41)의 표면, 즉 전도성 필름(42)에 전자가 이동하지 못하도록 에칭부가 형성되어 전자가 제 1 기판(11) 및/또는 제 2 기판(41)의 전도성 필름(42)을 따라 병렬흐름을 하지 못하도록 한다.
그 다음 상기 그리드(90)를 따라 이동한 전자는 제 2 기판(41)에 구비된 전도성 필름(42) 및 제 2 전극(43)을 순차적으로 통과하여 다른 염료감응 태양전지로 이동한다. 그 다음, 전술한 과정을 거쳐 직렬로 이동한 전자는 염료감응 태양전지의 일측에 구비되는 전극으로 이동한 후 외부회로로 이동한다.
도 1은 염료감응형 태양전지 구성의 일 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 2는 종래의 그리드(90) 형태를 가지는 염료감응형 태양전지 모듈의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 일 실시예로 사용된 염료감응형 태양전지 모듈의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 일 실시예로 사용된 염료감응형 태양전지의 구성을 나타내는 평면도이다.
<도면 부호>
11 : 제 1 기판 41 : 제 2 기판
42 : 전도성 물질 43 : 제 2 전극
44 : 제 1 전극 50 : 나노 산화물층
60 : 염료층 70 : 전해질
80 : 밀봉부재 81 : 벽면
90 : 그리드 92, 92a, 92b : 제 1 그리드
93, 93a, 92b : 제 2 그리드
Claims (5)
- 내측 표면에 전도성 물질이 도포된 제 1 기판;상기 제 1 기판에 대향하는 제 2 기판;상기 제 1 기판 및 제 2 기판상에 각각 적층된 제 1 및 제 2 전극;상기 제 1 전극 및 제 2 전극 상에 각각 적층되며 상호 결합된 제 1 및 제 2 그리드를 포함하며, 상기 제 1 그리드는 오목부를 구비하여, 상기 제 1 그리드 및 제 2 그리드의 결합은 상기 제 2 그리드가 상기 제 1 그리드의 오목부에 안착함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 그리드는 두 줄의 그리드 형태이며, 상기 두 줄 사이의 경계에 상기 오목부가 구비되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 그리드 및 제 2 그리드는 스크린 프린트법에 의하여 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 그리드의 말단은 상기 염료감응형 태양전지의 벽멱과 일정 간격으로 이격된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 제 4항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 그리드의 말단은 상기 연료감응형 태양 전지의 벽멱과 1 내지 2mm 이격된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
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