KR20100056552A - 태양전지들의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
일련의 본질적으로 동일한 태양전지들의 제조에 사용되는 방법들 및 재료들로서, 이들은 그 다음 필요에 따라 다양한 디자인의 배열로 조립되어, 원하는 전기적 생산량을 얻을 수 있다. 본 발명은 염료 태양전지들을 제조하는 것을 참조하여 기재된다.
Description
본 발명은 일련의 본질적으로 동일한 태양전지들의 제조에 사용되는 방법들 및 재료들에 관한 것으로서, 이후에 필요에 따라 다양한 디자인의 배열들로 조립됨으로써 원하는 전기적 생산량을 얻을 수 있는 것에 관한 것이다. 본 발명은 염료 태양전지들을 생산하는 것을 참조로 하여 기재된다.
태양전지들은 두 가지 주요 기능을 수행하는 장치들로서, 첫 번째는 전자 및 홀 전하 운반체들의 흡광재료/들 (light absorbing material/s)에서의 광생성 (photo generation)이고, 두 번째는 이후에 이러한 전하 운반체들을 전도성 콘택 (contact)에 분리하여 전자이동을 촉진시키는 것이다.
일반적으로, 태양전지들은 함께 조립되어 배열을 형성한다. 전지들의 배열 형성은 상기 배열된 전지들의 구조와 조성이 유사한 경우 대체로 개선된다. 따라서, 다수의 매우 유사한 전지들을 생산하는 것이 유리할 것이다.
염료 태양전지들로 알려져 있는 형태의 태양전지들은 전해질 (electrolyte)의 영역 또는 층을 포함한다. 보통, 상기 전지는 부분적으로 형성되어 밀봉되며, 그 다음 전해질로 충전된다. 상기 충전은 상기 전해질을 충전 홀 (fill hole) 또는 그 밖의 개구부 (aperture)를 통해 도입함으로써 일어나며, 이는 기술적으로 힘들고/거나 낭비일 수 있다. 따라서, 전해질을 전지에 도입시키는 개선된 방법을 창안하는 것이 유리할 것이다.
발명의 요약
발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 기판을 제공하는 단계; 상기 기판상에 복수 개의 전지들을 적어도 부분적으로 형성하는 단계; 및 절단 기술을 이용하여 상기 기판을 분리함으로써 상기 적어도 부분적으로 형성된 전지들 중 적어도 일부를 분리하여 복수 개의 작은 기판들을 얻는 단계를 포함하는 복수 개의 태양전지들을 제조하는 방법을 제공한다.
상기 태양전지들은 유연 (flexible)할 수 있다.
상기 태양전지들은 광전기화학 전지들 (photoelectrochemical cells)일 수 있다.
상기 광전기화학 전지들은 염료 태양전지들일 수 있다.
상기 전지들은 배치공정 (batch process) 또는 연속공정 (continuous process)으로 생산될 수 있다.
작업전극 기판 (working electrode substrate) 또는 보조전극 기판 (counter-electrode substrate) 중 어느 하나는 금속박 (metal foil) 또는 코팅된 금속박을 포함할 수 있다.
작업전극 기판 또는 보조전극 기판 중 어느 하나는 유리, 세라믹 또는 고분자 재료를 포함할 수 있다.
상기 방법은 반도체 층을 적용하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 염료 태양전지의 반도체는 이산화티타늄; ZnO; SnO2; 산화니오븀; 이들 재료들의 조합; 또는 이들 재료들과 알칼리 및 알칼리 토산화물, 희토산화물, 및 그 밖의 전이금속산화물이나 반도체 고분자와의 임의의 조합일 수 있다.
상기 반도체는 스크린 인쇄 (screen printing), 닥터 블레이딩 (doctor blading), 스프레이 증착, 디핑 (dipping), 테이프 캐스팅 (tape casting), 그라비어 인쇄 (gravure printing) 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 기술 또는 유사한 기술에 의해 동시에 다수의 전지들 상에 하나 이상의 층으로 증착되어, 열 및/또는 압력 처리 후에 50 nm 내지 25 마이크론의 두께를 이룰 수 있다.
상기 증착된 반도체를 갖는 상기 기판은 열 및/또는 압력, 선택적으로 사염화티타늄 (titanium tetrachloride) 용액과 같은 졸 (sol) 재료를 동시에 또는 추후에 적용시켜 증착 처리됨으로써 염료 적용에 적합한 작업전극을 생산할 수 있다.
그 다음 상기 전극들은 하나 이상의 염료들로 염색되어 한 벌의 상호연결된 작업전극들을 생산할 수 있다.
상기 방법은 각 전극에 고분자 또는 오르모서 가스켓 (ormocer gasket)을 적용시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 고분자 재료는 열가소성물질 (thermoplastic)일 수 있다.
상기 방법은 촉매를 적용시키는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 촉매는 분산된 Pt 또는 Pt 합금이나 혼합물, 탄소, PEDOT, Ru 산화물 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 촉매는 스크린 인쇄, 스프레잉 (spraying), 닥터 블레이딩, 디핑, 열분해, CVD, 스퍼터링 (sputtering), PVD, 화학적 환원법 (chemical reduction) 및 UV 개시 환원법 (UV initiated reduction) 중 하나 이상에 의해 증착될 수 있다.
상기 방법은 상기 태양전지들을 밀봉 (sealing)하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 밀봉은 상이한 녹는점들을 갖는 밀봉제들 (sealants)을 이용하여 두 단계로 수행된다. 밀봉 단계는 리플로우 오븐 (reflow oven)의 사용으로 열가소성 가스켓 재료를 액화시킨 다음 냉각 경화시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 밀봉 단계는 평면 열 프레스 (press) 또는 롤러 (reller)에 의한 비-국부성 열의 적용을 포함할 수 있다.
상기 방법은 전해질을 각 전지로 도입시키는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 전해질은 액체, 겔 (gel) 또는 고체 고분자 형태이다.
상기 전해질은 산화환원 전해질 (redox electrolyte) 또는 홀 전도체 (hole conductor) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 전해질은 존재하는 염료 첨가제를 포함함으로써 외관 색상이 변할 수 있다.
상기 전해질은 에지 개구부 (edge aperture)를 통해 도입될 수 있다.
상기 전해질은 충전 홀 (fill hole)을 통해 도입될 수 있다.
상기 방법은 전지 조립 이전에 열경화성 또는 저온 전도성 잉크 또는 저온 경화 솔더 페이스트 (solder paste) 또는 이들의 조합에 의해 버스바들 (busbars)을 보조전극 상에 증착시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기판은 상기 반도체의 증착 후에 임의의 단계에서 분리될 수 있고, 이후에 독립적으로 처리될 수 있다.
상기 기판을 분리하기 위해 사용되는 절단 기술은 레이저 스크라이빙 (laser scribing) 또는 제트 밀링 (jet milling) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
발명의 제2의 측면에 따르면, 본 발명은 작업전극 기판을 제공하는 단계; 보조전극 기판을 제공하는 단계; 전해질 층을 상기 기판들 중 적어도 하나에 적용하는 단계; 및 상기 기판들을 함께 가져와서 전지를 밀봉하는 단계를 포함하는, 적어도 하나의 태양전지를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 상기 기판들 중 어느 하나 또는 둘 모두에 밀봉제 재료를 적용하는 것을 포함할 수 있다.
상기 방법은 다수의 보조전극 영역을 전기적으로 분리함으로써 이를 정의하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 다수의 작업전극 영역을 전기적으로 분리함으로써 이를 정의하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전해질을 적용하는 단계는 카트리지/저장통(reservoir)으로부터의 니들 디스펜싱 (needle dispensing), 잉크젯 인쇄, 스크린 인쇄, 스프레잉, 롤러 코팅 또는 이들의 조합 중 어느 하나에 의해 수행될 수 있다.
이하에서 첨부한 도면들을 참조로 하여 본 발명의 일 실시예를 단지 예시적인 방식으로 기술할 것이다:
도 1은 단일 전지의 형성을 참조로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 원리를 나타낸 개요도이고;
도 2는 밀봉제들이 적용된 복수 개의 전지들을 형성하기 위한 작업전극 및 보조전극을 나타내고;
도 3은 전해질을 복수 개의 전지들에 도입시키기 위한 충전 홀들의 사용을 나타내고;
도 4는 기판들이 연결되기 이전에 전해질이 적용되는 본 발명의 대안적인 일 실시예를 나타내는 도면이고, ;
도 5는 본 발명의 추가적 실시예의 보조전극 기판에 대한 레이저 분리 패턴을 나타내고;
도 6은 상기 도 5의 보조전극과 조립되기 위한 작업전극에 대한 레이저 절단 패턴을 나타내고;
도 7은 상기 도 5 및 6의 기판들을 이용하여 형성된 일련의 전지들의 배치 (layout)를 나타내고; 및
도 8은 도 7과 유사하지만 병렬 구성으로 이루어진 전지들의 배치를 도시하는 도면이다.
도 1은 단일 전지의 형성을 참조로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 원리를 나타낸 개요도이고;
도 2는 밀봉제들이 적용된 복수 개의 전지들을 형성하기 위한 작업전극 및 보조전극을 나타내고;
도 3은 전해질을 복수 개의 전지들에 도입시키기 위한 충전 홀들의 사용을 나타내고;
도 4는 기판들이 연결되기 이전에 전해질이 적용되는 본 발명의 대안적인 일 실시예를 나타내는 도면이고, ;
도 5는 본 발명의 추가적 실시예의 보조전극 기판에 대한 레이저 분리 패턴을 나타내고;
도 6은 상기 도 5의 보조전극과 조립되기 위한 작업전극에 대한 레이저 절단 패턴을 나타내고;
도 7은 상기 도 5 및 6의 기판들을 이용하여 형성된 일련의 전지들의 배치 (layout)를 나타내고; 및
도 8은 도 7과 유사하지만 병렬 구성으로 이루어진 전지들의 배치를 도시하는 도면이다.
다음의 기재되는 실시예들은 일련의 유연한 염료 태양전지들의 배치 또는 연속적인 (롤-대-롤(roll-to-roll)) 제조방법에 관한 것으로, 이에 따라 개개의 전지들이 조립되어 임의의 원하는 구조 (configuration)의 배열을 형성할 수 있다. 본 명세서에 기재된 상기 유연한 염료 태양전지들은 두 개의 기판들, 작업전극 (WE)용의 금속박 기판 및 본질적으로 투명한 고분자 보조전극 (CE) 기판으로서 그 위에 투명 전도체 코팅이 적용된 것을 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 작업전극용 저용융온도 기판들을 이용하는 데에 필요한 소결 (sintering) 조건들 및 활성층 조성물을 변형시킴으로써 임의의 전도성 기판 재료들에도 적용되며, 이는 당해 분야의 기술자들에게 자명하다.
다음에 기재되는 유연한 태양전지 제조방법의 실시예는 하기의 단계들을 포함한다:
·'스냅-스트릿 (snap-strate)' 전극들로 가공 (machining)하여 형성되는 템플릿된 (templated) WE 기판을 생산하는 단계 (즉, 부품들 (elements) 사이의 탭들 (tabs)을 부수거나 절단함으로써 상기 부품들이 나중에 분리될 수 있다);
·상기 템플릿된 WE 스냅-스트릿 상에 작업 반도체를 증착하는 단계;
·대기 또는 고압 하에 상기 WE를 열처리하여 상호연결된 나노입자 전극을 형성하는 단계;
·상기 전극에 염료를 적용하여 작업전극을 형성하는 단계;
·상기 작업전극에 가스켓 분리판 (separator)을 적용하는 단계;
·진공 증착, 화학적 환원법 또는 전기화학적 환원법에 의해 보조전극에 촉매를 적용하는 단계;
·상기 보조전극에 가스켓 분리판을 적용하는 단계;
·상기 WE 및 CE를 열과 압력 하에 결합하여 전지 밀봉을 하는 단계;
·전지 에지 개구부를 통해 전해질을 충전하는 단계;
·열이나 UV를 적용하여 상기 전해질을 선택적으로 겔화 (gellation)시키는 단계;
·열과 압력 하에 에지 개구부를 밀봉하는 단계;
·그 다음 상기 보조전극을 레이저 절단하여 개개의 전지들로 제조하고 상기 상호연결된 탭들을 절단하거나 부수어 상기 템플릿으로부터 상기 전지들을 제거하는 단계.
본 발명의 실시예들로써 배치공정 또는 연속공정에 의한 복수 개의 본질적으로 동일한 태양전지들을 제조하는 것이 가능하다. 상기 공정의 원리는 한 벌의 템플릿된 기판들을 사용하는 것을 포함한다. 나타낸 실시예는 유연한 금속을 기초로 한 염료 태양전지들의 제조이다. 상기 전지들은 금속박으로 이루어져 있으며, 상기 금속박 위에 나노입자 나노다공성 반도체 필름이 증착되어 있다. 상기 필름은 이후에 염색되며, 상기 반도체의 에지 주위에서 상기 금속박에 가스켓이 적용되어 작업전극을 생산한다. 투명한 전도성 산화물로 코팅되어 있는 투명 고분자 필름을 포함하는 보조전극 필름 및 촉매가 제조되고, 버스바들이 상기 보조전극의 림 (rim) 위에 증착된다. 상기 보조전극은 상기 작업전극에 부분적으로 결합된다. 상기 조립체 (assembly)에 전해질을 도입한 다음, 상기 전지들은 밀봉된다.
제조의 첫 단계는 금속박의 시트 (sheet)를 레이저 절단시킴으로써 복수 개의 기판들을 제조하여 탭들로 연결되어 있는 기판들을 생산하는 것을 포함한다. 주요 부품들은 레이저 출력 (power)을 제어하여 거친 에지들 및 탭 규격 디자인이 형성되는 것을 예방함으로써, 템플릿이 손상 없이 제조될 수 있으면서도 이후의 공정 단계에서 전지들이 쉽게 분리될 수 있도록 한다. 이러한 공정에 의한 전지 기판들은 동일하며, 합선 (short circuits)을 일으키는 버르들 (burrs)이 없다. 상기 공정은 기판 재료의 시트 상에서 또는 연속 스트립 (strip) 상에서 수행될 수 있다. 상업적인 관점에서, 상기 공정의 이점은 이후의 제조 단계들에서 노동력을 줄일 수 있다는 점, 그리고 모든 전지들에 대해 같은 폼 팩터 (form factor)가 사용되기 때문에 전지들 사이의 가변성 (variability)을 줄일 수 있다는 점이다. 여기에는 각각의 전지 개체에 대한 기판의 크기에는 사실상 제한이 없으며, 다만 원자재 재고 (stock)의 크기와 공정 장비에 의해 생기는 제한이 있을 뿐이다.
상기 WE 기판은 티타늄, 스테인리스강, 코팅강 (Coated Steel), 알루미늄, 코팅된 알루미늄과 같은 금속박이다. 상기 전지의 디자인은 상기 스냅-스트릿의 자동적인 레이저 절단이 가능하도록 소프트웨어에서 만들어진다. 원자재 규격은 상기 재료의 최대 사용에 적합하도록 최적화된다. 보통, 연속 에지가 할당되어 상기 스냅-스트릿들이 추가적인 공정에서 손상되지 않도록 한다.
상기 CE 기판은 ITO 또는 FTO와 같은 본질적으로 투명한 전도체로 코팅된 투명 플라스틱 (일반적으로 PET 또는 PEN)으로, 백금, PEDOT, RuO2 또는 흑연과 같은 투명 촉매층을 갖는다. 상기 CE는 상기 전지에 적절한 규격으로 레이저로 절단될 수 있거나, 또는 단일 (또는 연속) 시트로 사용되어 이후의 공정 단계에서 절단될 수도 있다.
레이저 절단 이전에, 상기 WE 기판은 보통 전-처리되어 반도체의 부착 (adhesion)을 최적화시키고 표면이 균일하도록 한다. 이것은 그리스 (grease) 및 스와프 (swarf)를 제거하기 위한 청소에 선행하여, 에칭 (etching)과 기계적 마모 (abrasion)/연마 (polishing) 둘 중 하나로 또는 둘 모두에 의해 수행된다. 레이저 절단 후에, 상기 기판들은 물 및/또는 유기용매들 내에서 탈지제 (degreaser)로 세척되고 건조된다. 상기 WE 기판은 TiO2과 같은 반도체층으로 코팅된다. 상기 반도체의 증착 방법으로는 스크린 인쇄 및 분절된 롤러를 이용한 그라비어 인쇄가 있다. 스크린 인쇄의 경우에는, 차후 전지들의 각 '서브-배치'의 크기가 스크린의 최대 인쇄 영역에 의해 좌우된다. 스냅-스트릿들의 연속 스트립의 경우에는, 상기 스크린 인쇄가 연속 라인으로 통합되어야 한다.
상이한 두께의 필름들은 약 50 nm 내지 25 마이크론의 범위에 걸쳐서 페이스트와 증착 조건을 변화시킴으로써 가능하다. 두꺼운 멀티- 마이크론 필름들은 하나 이상의 코팅 적용을 필요로 한다. 인쇄된 기판들은 건조되며, 굽혀지거나 '뜨겁게' 가압되어 상호연결된 다공성 나노입자 네트워크를 생산한다. 선택적으로, 상기 반도체 필름들은 사염화티타늄의 희석액에서 디핑에 의해 후-처리된 다음 재가열되어 TiO2 입자들간의 상호연결을 개선시킨다.
그 후 상기 반도체는 보통 염료 배쓰 (bath)에서 디핑에 의해 염색되거나, 또는 잉크-젯 인쇄와 같이 일반적으로 사용되는 방법들 중 하나로 염색된다. 일반적으로 루테늄계의 염료들이 사용되지만, 본 발명에서는 임의의 특별한 염료에 의존하지 않는다. 상기 보조전극 (CE)은 보통 시트들 또는 연속 롤로 사용할 수 있다. PEN과 같은 고분자 기판들에 있어서, 상기 CE 촉매는 보통 분리 생산라인에서 화학적 환원법 또는 스퍼터링에 의해 증착된다. WE 및 CE 기판들은 열가소성 필름 (Dupont Surlyn 1702 50 um)과 같은 스페이서 (spacer)를 이용하여 조립된다.
이 단계에서, Paramelt Aquaseal, Dupont Surlyn 1702 또는 Dupont Bynel 4164와 같은 열가소성 가스켓 기본재료 (base)는 상기 반도체의 에지 주위에 적용되어 1차 밀봉을 형성한다. 적용은 액체 현탁액의 디스펜싱, 수지 (resin)의 압출 (extrusion), 또는 핫 멜트 (hot melt) 스크린 인쇄, 그리고 이후에 벨트 오븐 (belt oven)에서 건조되어 부착 필름을 생산함으로써 가능하다. 대안적으로, 미리 형성된 필름 형태의 가스켓들이 적용되어 핫 프레싱 (hot pressing)을 통해 상기 기판의 표면에 부착될 수 있다.
상기 열가소성 필름은 일련의 가스켓들로 미리 형성되고, 이는 상기 WE 및 CE 모두에 적용된다. 저온 열가소성물질은 가스켓의 세 면 (side)을 형성하기 위해 사용되지만, 고온 활성 열가소성물질은 상기 전지들의 남아있는 면을 밀봉하기 위해 사용된다. 이들은 섭씨 150 ℃ 이상에서 택킹 (tacking)에 의해 제자리에 고정된다.
도 1을 참조하면, 상기 제조공정을 단순한 단일 전지의 예로 나타내었다. 작업전극 20은 박 기판으로 구성되어 있고, 여기에 염색된 티타니아 (Titania)의 층이 적용되어 있다. 저온 가스켓 22은 상기 작업전극의 약 세 면에 적용된다. 고온 가스켓 24의 스트립은 상기 작업전극의 하나의 에지에 적용된다. 고온 가스켓 재료 24의 부분들 (portions)은 보조전극 30의 하나의 에지에 적용되어 있다. 상기 전극들은 피크 앤 플레이스 (pick and place) 및/또는 미리-적용된 가스켓들을 나란하게 하는 템플릿된 조립과 같은 기술에 의해 뒤덮인다. 전지 10은 롤러 프레스나 패턴 프레스와 같은 장비로 가열 활성화에 의해 밀봉되어, 상기 저온 가스켓 재료 22를 활성화시킴으로써, 상기 고온 가스켓 재료 24가 적용되어 있는 상기 전지 에지 개구부를 개방된 채로 두고 있는 상기 전지의 세 면을 밀봉한다. 진공보조 백필링 (vacuum assisted backfilling)을 이용하여 고온 가스켓 재료 24의 부분들 사이에 상기 에지 개구부를 통해 산화환원 전해질을 WE 20 및 CE 30의 사이에 넣어, 전극들 모두와 접촉하는 것을 촉진하고 빈 공간 (void)을 제거한다. 양압 (positive pressure) 및 음압 (negative pressure)의 조합을 이용하여 신속하고 효율적인 전해질 충전을 촉진할 수 있다. 그 후에 상기 고온 열가소성 재료 24의 국부적 가열 활성화로 밀봉되지 않은 에지를 밀봉하여 충전된 전해질, 밀봉된 전지 10을 얻는다.
도 2를 참조하면, 배치와이즈 (batchwise) 또는 연속방식으로 복수 개의 전지들을 제조하는 것을 나타내었다. 작업전극 기판 120은 레이저 절단에 의해 가공되어 이후의 전지 분리를 위한 탭들이 생산된다. 저융점 가스켓 재료 122의 부분은 수평 스트립들에 적용된다. 고융점 가스켓 재료 124의 부분은 수직 스트립들에 적용된다. 보조전극 130은 상기 고융점 가스켓 재료 124의 수직 스트립들에 적용되어 상기 작업전극 120 상의 상기 고온 가스켓 재료의 부분과 나란하게 된다.
그 후에 상기 작업전극 120 및 보조전극 130을 나란하게 배열하고 함께 가져와서, 상기 저온 열가소성 재료 122는 밀봉시키면서 상기 고온 열가소성 재료 124는 밀봉되지 않은 채로 남겨두는 제1의 일련의 가열된 롤러들을 통해 생산된 조립체를 넣는다. 그 결과 상기 상호연결된 전지들의 배열은 밀봉된 저온 가스켓 재료 122의 상부 (top) 및 바닥부 (bottom)에 의해 일렬로 배열된다. 이러한 밀봉 배열은 복수 개의 인접한 열들 (rows)에서도 반복된다. 그 후에 전해질은 밀봉되지 않은 에지들 126에 도입될 수 있다.
그 후의 에지 개구부를 통한 전해질 충전에서는, 상기 고온 열가소성 영역들 124를 밀봉하여 전지 밀봉 공정을 완결시키는 제2의 일련의 가열된 롤러 조립품들을 통해 상기 기판들이 통과된다. 그 후에 상기 전지들은 CO2 레이저를 이용하여 분리되어 보조전극 기판들 및 상기 금속 기판의 기계적 스냅핑 (snapping)이 나누어진다.
도 3을 참조하면, 충전 홀들의 사용과 그 후의 선택적인 상기 전해질의 인-시츄 (in-situ) 겔화를 포함하여 전해질을 도입하는 대안적인 방법을 나타내었다. 이러한 제조방법은 전해질 충전을 위한 에지 개구부들이 형성되지 않은 점을 제외하고는 도 2에서 나타낸 것과 유사하다. 대신, 충전은 충전 홀들 128이 이용된다. 상기 충전 홀들 128은 WE 120 또는 CE 130 기판상에 있을 수 있다. 충전 홀들 128은 레이저 절단, 드릴링 (drilling) 또는 마이크로 샌드-블라스팅 (micro sand-blasting)에 의해 만들어진다. 하나의 충전 홀 128은 전지들의 각 열 (row)을 제공하는 데에 사용된다. 상기 나타낸 실시예에서, 3개씩 4열의 전지들로 구성된 기판은 4개의 충전 홀들 128을 필요로 할 것이다. 상기 저온 열가소성 영역들 122는 전술한 에지 밀봉에서와 유사하게 밀봉된다. 주요 차이점은 상기 1차 밀봉 122는 전체 장치의 둘레 (perimeter) 주위의 WE 120 및 CE 122 기판들 사이에서 이루어진다는 점이다. 상기 충전 홀들 128은 오직 각 열의 개방된 영역들에만 접근할 수 있다. 진공 보조 충전 (vacuum assisted filling)을 이용하는 전해질 충전 기계는 산화환원 전해질을 상기 열들로, 결국 상기 전지들에 넣는 데에 사용된다. 전술한 제2의 일련의 가열된 롤러는, 산화환원 전해질을 여전히 결합시키면서, 각 전지의 양 면의 상기 고온 열가소성 영역들 및 상기 충전 홀을 밀봉하는 데에 사용된다. 그 다음의 조립체 전지 분할 (division)은 전술한 바와 같이 하였다.
상기 WE는 연속방식으로 제조될 수 있다; 이는 레이저 분할, 반도체 증착, 건조, 소결, 염료 적용, 및 1차 밀봉 적용을 포함한다. 생성된 WE 및 미리 제조된 CE 기판들은 함께 가져와 연속적인 WE 및 CE 기판들의 1차 밀봉, 전해질 증착, 전지 최후 밀봉, 및 WE 기판상의 상기 금속 탭들의 스냅핑 및/또는 상기 CE를 통해 상기 조립된 태양전지들을 레이저로 절단함에 따른 전지 분할을 한다. 상기 WE 기판은 티타늄과 같은 금속박이고, 상기 CE 기판은 ITO:PEN 또는 ITO:PET와 같이 전도체 코팅된 플라스틱으로, 백금, PEDOT, RuO2 또는 흑연과 같은 투명한 촉매층을 갖는다. 레이저 절단은 WE 및 CE 기판들 각각에 대해 Nd-Yag 및 C02 레이저들로 한다. 상기 반도체 층은 티타니아 위에 염료가 흡수된 것으로 구성되어 있다. 1차 밀봉 재료는 설린 (Surlyn), 바이넬 (Bynel), 또는 아쿠아실 액체 (Aquaseal liquid), 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 산화환원 전해질은 진공으로 보조하여 증착시킴으로써 빈 공간들을 제거하고, 밀봉은 완결된다.
도 4를 참조하면, 전해질 도입의 대안적인 방법으로 적합한 다른 실시예 및 밀봉제 배열을 나타내었다. 이러한 제조방법은 도 3에서 나타낸 것과 유사하지만, 전해질을 넣기 위해 사용되는 에지 개구부가 없다. 이 방법은 롤러 밀봉과 같은 전술한 방법에 따른 밀봉을 완결하기 이전에, WE 및 CE 기판들 모두의 활성 영역 표면상에 전해질을 제어된 디스펜싱하는 것과 조합하여, 상기 WE 및 CE 모두의 표면상에 한가지 형태의 밀봉 재료를 사용한다. 상기 나타낸 실시예에서, 직사각형 작업전극들을 정의하는, 원하는 패턴으로 분리되는 전 레이저 (pre laser)인 PEN으로부터 형성된 하나의 연속 보조전극 기판 230을 이용하여, 수평 배열인 여덟 개의 전지들이 형성된다. 상기 연속 CE 기판 230은 상기 태양전지 장치를 위한 운반체의 역할을 수행한다.
상기 작업전극 기판 220은 티타늄 박으로부터 형성된다. 각 작업전극의 세 면이 티타늄 박을 레이저로 절단함으로써 나타난다. 그 다음 상기 작업전극 영역들에 티타니아 영역들이 적용되고 염색된다.
그 후에 가스켓 재료 222가 상기 정의된 작업전극 및 보조전극의 약 4 개의 에지들에 적용된다. 상기 가스켓들은 상기 작업전극 기판 220 및 상기 보조전극 기판 230에 적용된다. 상기 가스켓 재료는 상기 보조 및 작업전극들을 둘러싸고 있는 상응하는 직사각형 모양들에 적용된다. 상기 가스켓 재료는 열가소성 디스펜싱, 필름, 섬유 (fibre) 또는 핫 멜트 스크린 인쇄를 통해 적용된다. 그 후에, 전해질 229의 얇게 제어된 체적 층이 상기 보조 및 작업전극들 모두의 활성 영역들 상에 스프레이, 잉크젯 또는 유사한 방법에 의해 증착된다. 그 후에 상기 기판들 220, 230을 함께 가져와서, 배치 또는 연속 밀봉을 사용하여 서브-모듈 (sub-module)을 밀봉한다. 일단 밀봉되면, 네 번째 작업전극 에지가 제거되고 초과량의 기판이 제거되어 여덟 개의 전지들 299의 완결된 서브-모듈을 수득한다. 이 단계에서 상기 서브-모듈 299는 원하는 적용을 위한 배열들로 조립 및 전기적 상호연결을 할 준비가 된다.
이러한 제조기술은 임의의 전기적 디자인 및 임의의 전지 규격에 적용될 수 있다. 제조장비 및 이용가능한 재료들의 크기에 따라, 임의의 크기인 기판들이 제조될 수 있고, 그 후의 전지 밀봉은 차후의 적합한 배열들로의 제조를 위해 단일 전지들 및/또는 서브-모듈들로 나누어진다. A4 배치에 있는 일련의 다수 전지들의 형성에 사용하기 위한 기판들의 도식을 도 5 및 6에 각각 나타내었다. 도 5는 상기 보조전극 영역들을 정의하기 위한 투명 필름상의 투명한 전도성 코팅의 분리 영역들에 대한 레이저 분리를 나타낸다. 도 6은 상기 작업전극들을 정의하기 위해 세 면을 절단함에 따른 레이저 절단 패턴을 나타낸다. 이들은 3×16 전지 열들을 형성시켜 총 48개의 전지들을 얻는다. 이러한 기판들은 도 4에 기재된 것과 유사한 방법으로 제조되어 도 7에 나타낸 최종 전지들을 얻는다. 추가의 유사한 배열로서, 평형 구조로 배열된 전지들을 갖는 것을 도 8에 나타내었다.
본 명세서에 달리 기재하지 않는 한, 여기에 포함된 종래기술에 대한 어떠한 언급이 그 정보가 통상의 일반적인 지식이라는 인정으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
마지막으로, 본 발명의 정신 또는 범위에서 벗어남 없이, 다양한 변형이나 부가들이 전술한 것들의 일부가 될 수 있음을 인식하여야 할 것이다.
Claims (31)
- 기판 (substrate)을 제공하는 단계; 상기 기판상에 복수 개의 전지들을 적어도 부분적으로 형성하는 단계; 및 절단 기술을 이용하여 상기 기판을 분리함으로써 상기 적어도 부분적으로 형성된 전지들 중 적어도 일부를 분리하여 복수 개의 작은 기판들을 얻는 단계를 포함하는 복수 개의 태양전지들의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 태양전지들이 유연한 (flexible) 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 태양전지들이 광전기화학 전지들 (photoelectrochemical cells)인 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 광전기 화학 전지들이 염료 태양전지들 (dye solar cells)인 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전지들이 배치공정 (batch process) 또는 연속 공정 (continuous process)으로 제조되는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
작업전극 기판 또는 보조전극 중 어느 하나가 금속박 (metal foil) 또는 코팅된 금속박을 포함하는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
작업전극 기판 또는 보조전극 중 어느 하나가 유리, 세라믹 또는 고분자재료를 포함하는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제4항에 있어서,
반도체 층을 적용하는 단계를 더 포함하는 복수 개의 태양전지들의 제조방법으로서, 상기 염료 태양전지의 상기 반도체는 이산화티타늄; ZnO; SnO2; 산화니오븀; 이들 재료들의 임의의 조합; 또는 이들 재료들과 알칼리 및 알칼리 토산화물, 희토산화물, 및 그 밖의 전이금속산화물이나 반도체 고분자와의 임의의 조합일 수 있는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 반도체가 스크린 인쇄 (screen printing), 닥터 블레이딩 (doctor blading), 스프레이 증착, 디핑 (dipping), 테이프 캐스팅 (tape casting), 그라비어 인쇄 (gravure printing) 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 기술 또는 유사한 기술에 의해 동시에 다수의 전지들 상에 하나 이상의 층으로 증착되어, 열 및/또는 압력 처리 후에 50 nm 내지 25 마이크론의 두께를 이루는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 증착된 반도체를 갖는 기판이 열 및/또는 압력, 선택적으로 사염화티타늄 (titanium tetrachloride) 용액과 같은 졸 (sol) 재료를 동시에 또는 추후에 적용시켜 증착 처리됨으로써 염료 적용에 적합한 작업전극을 생산하는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 전극들이 추후에 하나 이상의 염료들로 염색되어 한 벌의 상호연결된 작업전극들을 생산하는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제11항에 있어서,
각 전극에 고분자 가스켓 또는 오르모서 가스켓 (ormocer gasket)을 적용시키는 단계를 더 포함하는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 고분자 재료는 열가소성물질 (thermoplastic)인 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제12항에 있어서,
촉매를 적용시키는 단계를 더 포함하는 복수 개의 태양전지들의 제조방법으로서, 상기 촉매는 분산된 Pt 또는 Pt 합금이나 혼합물, 탄소, PEDOT, Ru 산화물 또는 이들의 조합일 수 있는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제14항에 있어서,
상기 촉매가 스크린 인쇄, 스프레잉 (spraying), 닥터 블레이딩, 디핑, 열분해, CVD, 스퍼터링 (sputtering), PVD, 화학적 환원법 (chemical reduction) 및 UV 개시 환원법 (UV initiated reduction) 중 하나 이상에 의해 증착되는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전지들을 밀봉 (sealing)하는 단계를 더 포함하는 복수 개의 태양전지들의 제조방법으로서, 상기 밀봉은 상이한 녹는점들을 갖는 밀봉제들 (sealants)을 이용하여 두 단계로 수행하는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제16항에 있어서,
상기 밀봉 단계가 리플로우 오븐 (reflow oven)의 사용으로 열가소성 가스켓 재료를 액화시킨 다음 냉각 경화시키는 것을 포함하는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제16항에 있어서,
상기 밀봉 단계가 평면 열 프레스 (press) 또는 롤러 (reller)에 의한 비-국부성 열의 적용을 포함하는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제14항에 있어서,
전해질 (electrolyte)을 각 전지에 도입시키는 단계를 더 포함하는 복수 개의 태양전지들의 제조방법으로서, 상기 전해질은 액체, 겔 (gel) 또는 고체 고분자 형태인 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제19항에 있어서,
상기 전해질은 산화환원 전해질 또는 홀 전도체 (hole conductor) 중 어느 하나인 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제19항에 있어서,
상기 전해질은 존재하는 안료 첨가제들을 가짐으로써 외관 색상이 변화되는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 전해질은 에지 개구부 (edge aperture)를 통해 도입되는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 전해질은 충전 홀 (fill hole)을 통해 도입되는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
전지 조립 이전에 열경화성 또는 저온 전도성 잉크 또는 저온 경화 솔더 페이스트 (solder paste) 또는 이들의 조합에 의해 버스바들 (busbars)을 보조전극 상에 증착시키는 단계를 더 포함하는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 기판은 상기 반도체 증착 이후의 임의의 단계에서 분리된 다음 독립적으로 제조과정을 거치는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판을 분리하기 위해 사용되는 상기 절단 기술이 레이저 스크라이빙 (laser scribing) 또는 제트 밀링 (jet milling) 중 어느 하나를 포함하는 것인,
복수 개의 태양전지들의 제조방법. - 작업전극 기판을 제공하는 단계;
보조전극 기판을 제공하는 단계;
상기 기판들 중 적어도 하나에 전해질 층을 적용하는 단계; 및
상기 기판들을 함께 가져와서 상기 전지를 밀봉하는 단계를 포함하는 적어도 하나의 태양전지의 제조방법. - 제27항에 있어서,
상기 기판들 중 어느 하나 또는 둘 모두에 밀봉제 재료를 적용하는 단계를 더 포함하는 것인,
적어도 하나의 태양전지의 제조방법. - 제27항 또는 제28항에 있어서,
다수의 보조전극 영역들을 전기적으로 분리시킴으로써 이들 영역들을 정의하는 단계를 더 포함하는 것인,
적어도 하나의 태양전지의 제조방법. - 제27항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
다수의 작업전극 영역들을 전기적으로 분리시킴으로써 이들 영역들을 정의하는 단계를 더 포함하는 것인,
적어도 하나의 태양전지의 제조방법. - 제27항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전해질을 적용하는 단계는 카트리지/저장통 (reservoir)로부터의 니들 디스펜싱 (needle dispensing), 잉크젯 인쇄, 스크린 인쇄, 스프레잉, 롤러 코팅 또는 이들의 조합 중 어느 하나에 의해 수행되는 것인,
적어도 하나의 태양전지의 제조방법.
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