KR20100067449A - 염료감응형 태양전지 - Google Patents
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Abstract
염료감응형 태양전지가 제공된다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 양측에 복수의 상대 전극이 구비되는 제 1 전도성 투명 기판; 및 상기 제 1 전도성 투명 기판의 양측에 일정 간격으로 이격되어 대향하며, 상기 상대 전극에 대응하는 복수의 반도체 전극이 적층된 제 2 전도성 투명 기판; 및 상기 제 1 전도성 투명 기판 및 제 2 전도성 투명 기판 사이에 구비된 전해질을 포함하는 구조이며, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 염료감응 태양전지의 양측을 모두 활용할 수 있으며, 특히 태양광이나 실내광이 조사되는 최초 투명 기판상에 염료가 구비되어 그 효과가 극대화된다. 또한 전해질 사용 주기가 전체적으로 균일해지므로, 일시에 전해질 교체가 가능하며, 더 나아가 하나의 주입구를 통하여 전체 전해질 교체/주입이 가능하다는 점에서 염료감응 태양전지의 유지/보수가 보다 용이하다는 효과가 있다
Description
본 발명은 염료감응형 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 효율을 갖는 구성의 복층 구조를 가지면서, 제조 및 보수가 용이한 구조의 염료감응 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(2)과 제 2 기판(4)이 서로 접합된 샌드위치 구조를 갖고, 제 2 기판(4)에 대향되는 제 1 기판(2)의 면에는 FTO 등의 전도성 물질(22)이 있고, 상기 전도성 물질(22) 상에는 TiO2 등의 나노입자 산화물층(반도체 전극, 6)이 있으며, 상기 반도체 전극(6)에는 염료분자가 흡착되어 있다. 또한, 제 1 기판(2)에 대향되는 제 2 기판(4)의 면에는 백금 등의 전극(4)이 코팅되어 있으며, 상기 제 1 기판(2)과 제 2 기판(4) 사이의 공간에 는 전해질(18)이 충진되어 있다. 상기 산화물층의 반도체 전극, 백금 등의 상대 전극), 전해질로 이루어진 단위를 하나의 셀(cell)로 하여 다수의 셀을 금속 그리드(미도시)로 Z-serise 형태의 직렬 모듈로 연결설치하게 되면 염료감응형 태양전지 모듈을 이루게 된다.
상기 도 1에서 개시된 염료감응형 태양전지는 단층 구조, 즉 반도체전극/전해질/상대 전극이 하나의 층을 형성하는 구조이나, 대용량의 전력을 생산하기 위해서는 어쩔수 없이 모듈 전체의 수평면적이 커질 수 밖에 없으나, 이 경우 공정상의 제약(예를 들면 스크린 프린트 면적의 한계 등)이 있다.
이를 개선하고자 복층 구조의 염료감응 태양전지가 대한민국 특허 10-0842265(이하 인용기술 1), 대한민국 공개 특허공보 10-2006-0012785(이하 인용기술 2), 일본 특허 11273753(이하 인용기술 3)이 개시된다.
하지만, 상기 인용기술 1은 실제로 빛을 조사받아 전자를 형성하는 전극인 반도체 전극이 각자 규칙적으로 반복된 구조를 개시하나, 이 경우 실제 빛을 조사받는 최초 전극 중 적어도 하나는 반도체 전극이 아닌 상대전극이므로, 실제 창호 등으로 염료감응 태양전지를 사용하는 경우 그 효율 향상의 한계가 있다. 또한, 내부의 전해질 교체가 매우 어려울 수 있다는 것을 당업자라면 누구나 상기 인용기술 1의 내용을 읽음으로써 예상할 수 있다.
또한 상기 인용기술 2는 최초 광을 조사받는 전극을 반도체 전극이 아닌 상대전극으로 개시하고 있다. 이 경우 빛이 반도체 전극에 이르는 동안 전도성 투명 기판이 갖는 광투과도를 고려하여 볼 때 광손실이 발생하여 빛의 강도가 떨어지게 되며, 또한 전해질을 각각 별도로 주입/교체하여야 한다. 또한 상기 복층 구조의 전해질층은 각각 독립적으로 주입/교체하여야 하므로, 매우 제조시 매우 불편하다는 문제가 있다.
상기 인용기술 3 또한 모두 복층 구조를 이루는 단일층(반도체 전극 및 상대 전극으로 이루어진 하나의 층을 이하 단일층이라 정의한다)이 각각 돌립된 구조이므로 액체 전해질은 단일층마다 주입되어야 한다. 즉, 제조시 각 층마다 별도의 전해질 주입구를 통하여 전해질을 주입하여야 하며, 만약, 사용 기간에 따라 전해질 주입을 별도의 주기로 각 층마다 실시하여야 하는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 과제는 높은 효율을 갖는 구성의 복층 구조를 가지면서, 제조 및 보수가 용이한 구조의 염료감응 태양전지를 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 양측에 복수의 상대 전극이 구비되는 제 1 전도성 투명 기판; 상기 제 1 전도성 투명 기판의 양측에 일정 간격으로 이격되어 대향하며, 상기 상대 전극에 대응하는 복수의 반도체 전극이 적층된 제 2 전도성 투명 기판; 및 상기 제 1 전도성 투명 기판 및 제 2 전도성 투명 기판 사이에 구비된 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다. 상기 제 1 전도성 투명 기판 및 제 2 전도성 투명 기판은 투명 기판 및 상기 투명 기판상의 전도성 박막으로 이루어지며, 또한 제 1 전도성 투명 기판 및 제 2 전도성 투명 기판상에는 상호 대응하는 금속 그리드가 적층되는데, 상기 금속 그리드는 상기 태양전지의 벽면으로부터 일정 거리만큼 이격될 수 있다.
또한 제 1 전도성 투명 기판은 상기 제 1 전도성 투명 기판을 관통하는 구멍을 구비하여, 상기 전해질이 상기 제 1 전도성 투명 기판의 양측을 흐를 수 있으며, 상기 염료감응 태양전지는 상기 전해질을 주입하기 위한 하나의 전해질 주입구를 상기 제 2 전도성 투명 기판에 각각 구비할 수 있다.
본 발명은 염료감응 태양전지의 양측을 모두 활용할 수 있으며, 특히 태양광이나 실내광이 조사되는 최초의 투명 기판상에 염료를 구비하여, 광효율이 극대화된다. 또한 한 번의 전해질 주입으로 태양전지 전체의 전해질 교체/주입이 가능하다는 점에서 염료감응 태양전지의 유지/보수가 용이하다는 효과가 있다.
이하 도면을 이용하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단위 셀 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명은 제 1 전도성 투명기판(2) 및 상기 제 1 전도성 기판의 양측 상에 적층된 복수의 상대 전극(8a, b)을 개시한다. 상기 제 1 전도성 투명기판(2)은 투명 기판상에 전도성 물질, 예를 들면 ITO, FTO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), SnO2-Sb2O3 등을 포함하는 전도성 물질이 코팅된 구조로서, 생성된 전자가 이동시킬 수 있다. 또한 상기 투명 기판(2)은 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), 셀룰로오스트리아세테이 트(cellulosetriacetate:CAP) 중 적어도 하나를 포함하는 플라스틱재 또는 유리재를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 제 1 전도성 투명 기판(2)의 양측에 각각 대응하는 제 2 전도성 투명 기판(8a, b) 및 상기 제 2 전도성 투명 기판(2a, b) 상에 적층된 반도체 전극(6a, b)이 개시되며, 상기 상대 전극과 반도체 전극 사이에는 전해질층이 구비된다.
본 발명은 특히 창호 소재로 염료감응 태양전지를 사용하는 경우 태양전지의 양측으로 빛이 조사되는 점을 착안하여, 최초로 빛이 조사되는 전극을 반도체 전극으로 구성한다. 이로써 태양전지의 복층 구조 효율을 최대로 유지할 수 있다.
상기 반도체 전극은 통상적으로 나노 다공질막의 형태로 존재하는 TiO2, ZnO, SnO2 등과 같은 넓은 밴드갭을 가진 n형 산화물로 구성되며, 상기 반도체 전극의 표면에 단분자 층의 염료가 흡착됨으로써 태양광이 입사되면, 염료 속의 페르미 에너지 부근의 전자가 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기된다.
본 발명은 또한 종래의 복층구조 태양전지는 전해질이 단위셀 및 단위층간에 모두 분리된 구조이므로, 각각의 단위셀 및 단위층에 대하여 각각 별도의 전해질 주입이 수행되어야 하는 문제를 일시에 해결하는 구조를 제공한다.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지를 단위 셀로 포함하는 염료감응 태양전지 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 복층 구조의 염료감응 태양전지는 상기 기판 상에 적층되며, 서로 대응하며 접합하는 금속 그리드에 의하여 단위 셀이 분리된다. 하지만 이와 같이 단위 셀이 금속 그리드에 의하여 분리되는 경우 전해질을 각 단위 셀마다 별도로 하여야 하는 번거로움이 있었으나, 본 발명은 이러한 문제를 아래와 같이 해결하였다.
또한 본 발명은 금속 그리드가 양측에 모두 구비되는 경우, 효율 향상의 효과는 있으나, 제조 공정에 다소 어려움이 있으며, 양측에 항상 동일한 빛이 조사되지 않는 점에서, 상기 금속 그리드를 복층 중 하나의 층에만 구비시킬 수 있다. 이 경우 금속 그리드가 구비된 층으로 보다 많은 빛(예를 들면 태양광과 실내광 중 태양광)을 조사하는 경우, 우수한 효율과 함께 공정상의 이점도 동시에 확보할 수 있다.
도 4은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 염료감응 태양전지의 벽면으로부터 일정 거리만큼 이격된 금속 그리드를 구비하는 구조를 갖는다. 즉 도 3의 그리드(10)는 각각의 염료감응 태양전지의 경계면인 동시에 각각의 염료감응 태양전지에서 생성된 전자의 이동경로를 제공하는 요소로서, 그 형태는 길이방향을 기준으로 양측 말단이 벽면, 특정적으로 염료감응 태양전지의 벽면으로부터 일정거리, 예를 들면 약 1 내지 10 mm 만큼 이격되어 상기 이격된 공간으로 전해질(18)의 이동이 가능하다. 즉, 상기 벽면으로부터 이격된 공간으로 전해질이 용이하게 이동 되므로 전체 염료감응 태양전지에 대한 공통된 전해질 주입구를 구비시켜 전체 염료감응 태양전지에 전해질을 주입시킬 수 있으므로, 전해질의 누액을 최소화할 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 그리드의 말단과 벽면의 이격거리는 특정 수치에 한정되는 것은 아니나, 1 내지 10mm인 것이 바람직한데, 이격거리가 1mm 미만인 경우 상기 이격된 공간으로 전해질이 이동할 때 벽면이나 그리드와의 마찰력이 커서 이동이 용이하지 않고, 결과적으로 각각의 단위 염료감응 태양전지에 전해질이 충분히 충진되지 않는 문제가 생긴다. 또한 이격거리가 10mm를 초과하는 경우에는 그리드의 길이가 짧아지거나, 염료감응 태양전지 모듈의 크기가 커지므로 염료감응 태양전지의 효율이 떨어지게 되어 바람직하지 않다.
본 발명의 일 실시예로 사용되는 태양전지에 주입되는 전해질은 반도체 전극과 상대 전극 사이의 공간에 충진되어 산화-환원반응에 따라 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.
보다 용이한 이해를 돕기 위하여 종래 기술에 따른 염료감응 태양전지의 구조 및 전해질 주입 구조를 도 5 및 6에 나타내었다.
도 5 및 6을 참조하면, 금속 그리드(10)는 벽면까지 연장되며, 상기 금속 그리드에 의하여 염료감응 태양전지의 분리된 단위 셀이 형성된다. 즉, 상기 구조는 각 단위 셀 각각의 전해질을 분리시키는 구조이므로, 단위 셀 각각에 대한 전해질 주입구(도 6의 도면부호 12) 또한 별도로 요구된다. 하지만, 각 단위 셀의 수에 대응하는 전해질 주입구의 갯수가 증가하는 경우 전해질 누액 등의 문제가 발생할 가능성 또한 높아지는 문제가 있다. 하지만, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 전해질은 단위 셀 간에 연결될 수 있으므로(즉, 단위 셀들은 공통된 전해질을 갖게 된다), 최소의 전해질 주입구를 통하여 전해질 충진/보충이 가능하다.
본 발명은 더 나아가 복층의 태양전지에 대한 전해질 주입 및 교체의 용이성을 증가시켰는데, 이하 도면을 이용하여 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 복층의 태양전지의 중심 기판, 즉 제 1 전도성 투명 기판의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제 1 전도성 투명 기판(즉, 복층 구조의 중심 기판)에는 상기 기판을 관통하는 전해질 연결관(24)이 구비된다. 상기 전해질 연결관(24)을 통하여 상기 제 1 전도성 투명 기판의 양측 전해질은 흐를 수 있으며, 상기 전해질 연결관은 결국 상기 제 1 전도성 투명 기판의 양측 전해질을 상호 연결시키는 통로로서 기능하게 된다. 따라서, 전해질 주입구를 통하여 전해질을 일측에만 주입하는 경우에도 상기 복층 구조의 태양전지 내부의 전해질은 전부 채워질 수 있으며, 더 나아가, 태양전지 전체에 대한 전해질 충전 주기를 일정하게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 보다 간편한 전해질 주입 방법을 제공하는데, 이하 도면을 이용하여, 보다 상세히 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 복층 구조의 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 복층 구조의 염료감응 태양전지의 일층은 종래와 같이 전해질 주입구(910)가 구비된다. 상기 전해질 주입구(910)를 통하여 외부에서 주사기 형태의 주입 수단이 삽입되어 전해질이 주입될 수 있는데, 본 발명은 복층 구조 중 하층 구조에도 상기 주사기 형태의 주입수단이 삽입될 수 있도록, 상기 전해질 주입구(910)과 전해질 연결관(920)를 평면 상의 동일 위치에 구비시킨다. 이로써, 주입 수단의 삽입 길이를 조절하여 하층과 상층 모두에 전해질이 용이하게 주입될 수 있다.
도 1은 종래의 염료감응형 태양전지 구성의 일 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단위 셀 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 평면도이다.
도 5 및 6은 종래 기술에 따른 염료감응 태양전지의 구조 및 전해질 주입 구를 나타내는 평면도이다 .
도 7은 본 발명에 따른 복층의 태양전지의 중심 기판, 즉 제 1 전도성 투명 기판의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 복층 태양전지의 전체 단면도이다.
Claims (7)
- 양측에 복수의 상대 전극이 구비되는 제 1 전도성 투명 기판; 및상기 제 1 전도성 투명 기판의 양측에 일정 간격으로 이격되어 대향하며, 상기 상대 전극에 대응하는 복수의 반도체 전극이 적층된 제 2 전도성 투명 기판; 및상기 제 1 전도성 투명 기판 및 제 2 전도성 투명 기판 사이에 구비된 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 전도성 투명 기판 및 제 2 전도성 투명 기판은 투명 기판 및 상기 투명 기판상의 전도성 박막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 전도성 투명 기판 및 제 2 전도성 투명 기판상에는 상호 대응하는 금속 그리드가 적층된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 금속 그리드는 제 1 전도성 투명 기판 및 제 2 전도성 투명 기판 중 어느 하나에만 적층된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제 3항 또는 제 4항에 있어서,상기 금속 그리드는 상기 태양전지의 벽면으로부터 일정 거리만큼 이격된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제 1항에 있어서,제 1 전도성 투명 기판은 상기 제 1 전도성 투명 기판을 관통하는 전해질 연결관을 구비하여, 상기 전해질 연결관을 통하여 상기 상기 제 1 전도성 투명 기판양측의 전해질층은 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제 5항에 있어서,제 1 전도성 투명기판은 전해질을 주입하기 위한 전해질 주입구를 구비하며, 상기 전해질 연결관은 상기 전해질 주입구와 평면상 동일위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
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