KR20100071764A - 염료감응 태양전지 모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

염료감응 태양전지 모듈 및 그 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지 모듈은 부에 반도체 전극이 적층된 제 1 전도성 기판; 상기 제 1 전도성 기판과 일정 간격 이격되며, 상기 반도체 전극에 대향하는 상대전극이 적층된 제 2 전도성 기판을 포함하는 염료감응 태양전지 단위 셀을 포함하는 염료 감응 태양전지 모듈에 있어서, 상기 염료감응 태양전지 단위 셀은 상기 반도체 전극 및 상대 전극이 적층되지 않은 제 1 전도성 기판 및 제 2 전도성 기판의 주변부 상에 적층되어, 소성된 금속 페이스트에 의하여 연결되는 것을 특징으로 하며, 약한 내구성 및 접착력을 갖는 전도성 테이프 대신, 소성 과정을 통하여 유리 기판과 보다 견고하게 접착될 수 있는 금속 페이스트를 이용하여, 단위 셀을 접합하므로, 내구성 및 접착력을 견고히 유지할 수 있다. 더 나아가, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 장시간 사용시에도 우수한 전도성을 유지할 수 있다.

Description

염료감응 태양전지 모듈 및 그 제조방법{Dye-sensitized solar cell molule and manufacturing method thereof}
본 발명은 염료감응 태양전지 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 약한 내구성 및 접착력을 갖는 전도성 테이프 대신, 소성 과정을 통하여 유리 기판과 보다 견고하게 접착될 수 있는 금속 페이스트를 이용하여, 단위 셀을 접합하므로, 내구성 및 접착력을 견고히 유지할 수 있고, 더 나아가, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 장시간 사용시에도 우수한 전도성을 유지할 수 있는 염료감응 태양전지 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
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 상대전 극으로 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 태양전지 단위 셀을 서로 연결시켜 모듈 형태로 사용하게 된다.
종래 염료감응 태양전지의 단위 셀 구조가 도 1a 및 1b에 도시되어 있다. 도 1a는 종래 염료감응 태양전지 단위 셀의 단면도이고, 도 1b는 종래 염료감응 태양전지 단위 셀의 평면도이다.
일반적으로 염료감응 태양전지의 기본 구조는 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 두 개의 판상 투명전도체(10a, 10b)가 서로 면 접합된 샌드위치 구조이다. 한 투명전도체(10a)의 이면에는 전이금속 산화물막(11)이 도포되어 제1전극을 이루고 있으며, 전이금속 산화물막(11)에는 광 감응 염료(18)가 흡착되어져 있고, 다른 투명전도체(10b)의 이면에는 백금(Pt)막(12)이 도포되어 제2전극을 이루고 있다. 이러한 두 투명의 제1전극 및 제2 전극 사이의 공간은 전해질(13)로 채워져 있다.
상술한 바와 같은 구조의 종래 염료감응 태양전지를 제조하기 위해서는 하나의 투명전도체(10a)위에는 전이금속 산화물 막(11)을 형성하고 여기에 염료(18)를 흡착시키며, 다른 하나의 투명전도체(10b)위에는 백금막(12)을 형성한다.
다음, 수지(14)를 이용하여 두 투명전도체(10a, 10b)를 서로 대향 접합시킨 후, 미세구멍(15a, 15b, 15c, 15d)를 통해 전해질(13)을 주입하고 미세유리(16a, 16b, 16c, 16d)를 이용하여 봉입함으로써 염료감응 태양전지를 완료한다.
이러한 태양전지 단위 셀은 전도성 테이프(17a, 17b)를 이용하여 이웃끼리 서로 연결함으로써 모듈로 제작하는데, 상기 전도성 테이프(17a, 17b)는 주로 구리 니켈을 주성분으로 한다. 하지만, 이러한 전도성 테이프는 공기 중에 장시간 노출되는 경우 접착력이 떨어지게 되고, 또한부식으로 인해 내구성이 떨어져 전체 염료감응 태양전지의 효율을 저하시키는 요인으로 작용한다. 또한 이러한 전도성 테이프의 산화에 따른 물성 변화로 인하여, 전체 염료감응 태양전지 전체 모듈의 저항이 증가하여, 충분한 효율을 얻기 어렵다. 더 나아가, 상기 단위 셀의 연결 부재는 유리 기판에 사용되어야 하고, 전도성이 높아야 하므로, 금속 물질을 납땜하는 일반적인 방법이 적용될 수 없다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 종래 기술에 비하여 향상된 내구성과 접착력을 가지면서, 높은 전도도를 갖는 단위 셀 연결 부재를 갖는 염료감응 태양전지 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번재 과제는 단위 셀간 높은 접착력을 가지면서 우수한 전도도를 갖는 염료감응 태양전지 모듈의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상부에 반도체 전극이 적층된 제 1 전도성 기판; 상기 제 1 전도성 기판과 일정 간격 이격되며, 상기 반도체 전극에 대향하는 상대전극이 적층된제 2 전도성 기판을 포함하는 염료감응 태양전지 단위 셀을 포함하는 염료 감응 태양전지 모듈에 있어서, 상기 염료감응 태양전지 단위 셀은 상기 반도체 전극 및 상대 전극이 적층되지 않은 제 1 전도성 기판 및 제 2 전도성 기판의 주변부 상에 적층되어, 소성된 금속 페이스트에 의하여 연결되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈을 제공한다.
이때 상기 금속은 은, 니켈, 구리, 납으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있으며, 상기 염료감응 태양전지 단위 셀의 연결은 제 1 전도성 또는 제 2 전도성 기판 주변부 상의 금속이 인접한 다른 염료감응 태양전지 단위 셀의 제 1 또는 제 2 전도성 기판 상의 금속와 연결됨으로써 이루어질 수 있다.
상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상부에 반도체 전극이 적 층된 제 1 전도성 기판; 상기 제 1 전도성 기판과 일정 간격 이격되며, 상기 반도체 전극에 대향하는 상대전극이 적층된제 2 전도성 기판을 포함하는 염료감응 태양전지 단위 셀을 포함하는 염료 감응 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서, (a) 반도체 전극 및 상대 전극이 적층되지 않은 단위 셀의 제 1 전도성 기판 및 제 2 전도성 기판의 주변부 상에 금속 페이스트를 적층시키는 단계; 및 (b) 상기 금속 페이스트를 450℃ 이하의 온도에서 소성시키는 단계를 포함하는 염료감응 태양전지 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 제조방법은 상기 (a) 단계와 (b) 단계 사이에는 상기 단위 셀의 주변부를 동일 구조의 인접한 단위 셀의 주변부와 접합시키는 단계를 더 포함하며, 상기 금속은 은, 니켈, 구리, 납으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명은 약한 내구성 및 접착력을 갖는 전도성 테이프 대신, 소성 과정을 통하여 유리 기판과 보다 견고하게 접착될 수 있는 금속 페이스트를 이용하여, 단위 셀을 접합하므로, 내구성 및 접착력을 견고히 유지할 수 있다. 더 나아가, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 장시간 사용시에도 우수한 전도성을 유지할 수 있다.
이하 도면 및 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 하지만, 하 기 예시되는 도면 및 실시예 등은 모두 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위는 하기 내용에 의하여 제한되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지 단위 셀의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 종래 기술과 동일한 구조를 가지나, 전도성 기판이 평면상 중첩되지 않는 주변부, 즉, 전극 및 전해질에 의하여 전류가 형성되지 않는 기판상의 영역 상에는 금속층(20)이 구비된다. 상기 금속층은 금속 페이스트를 소성시킴으로써 얻어진다. 특히 본 발명자는 염료감응 태양전지의 전체 성능을 저하시키지 않는 한, 예를 들면 백금과 같은 전극 물질을 녹지 않는 온도 범위 내에서는 소성 공정으로 금속 페이스트를 가열, 소성시킬 수 있는 경우 유리와의 충분한 접착력을 얻을 수 있고, 더 나아가 전기 전도도도 충분히 확보할 수 있다는 점을 착안하였고, 그 결과 보다 우수한 전기 전도도의 염료감응 태양전지를 제조할 수 있었다.
도 3은 상기 단위 셀들을 상호 연결한 구조를 나타내는 염료감응 태양전지 모듈 단면도이다.
도 3을 참조하면, 단위 셀 기판의 주변부 상에 적층된 금속층은 인접한 단위 셀의 금속층과 접촉됨으로써 전기적으로 연결된다. 특히, 본 발명의 일 실시예는 페이스트 형태의 금속층을 상호 연결한 후, 소성시키는 경우 상기 금속층은 충분히 접합되어, 우수한 내구성 및 전도도를 확보할 수 있는 기술적 사상을 개시한다.
본 발명에서 상기 금속층의 물질은 은, 니켈, 구리, 납으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 우수한 전도성과 내구성을 확보할 수 있는 한 임의의 어떠한 금속도 사용될 수 있으며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명은 더 나아가, 상기 금속 페이스트에 글라스프릿(glass prit)을 포함시켜 상기 유리와의 접착력을 더욱 향상시킬 수 있다. 상기 글라스프릿의 함량은 전체 조성물 중 0.1 내지 10중량%가 바람직한데, 만약, 상기 범위 미만인 경우 기판과의 충분한 접착 효과를 달성하기 어렵고, 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 전도도가 과도하게 감소되는 문제가 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 상기 우수한 내구성 및 전도도를 갖는 염료감응 태양전지 모듈을 제조할 수 있는 방법을 본 발명의 또 다른 실시 태양으로 제공한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 제조방법을 나타내는 단계도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 제조방법은 먼저 활성영역이 완성된 단위셀의 기판이 평면상 중첩되지 않는 주변부 상에 금속 페이스트를 적층한다. 이후, 상기 적층된 금속 페이스트를 소성시켜 기판과 접착된 금속층을 기판 주변부 상에 형성시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 제조방법을 나타내는 단계도이다.
도 5를 참조하면, 기판 주변부 상에 금속 페이스트가 적층된다. 이후, 금속 페이스트가 적층된 단위 셀을 인접한 단위 셀과 도 3에서 도시된 바와 같이 연결한다. 이후 상기 단위 셀들을 소성하여, 소결시키게 된다. 이로써, 기판 상에 적층된 금속 페이스트는 유리 뿐만 아니라 단위 셀을 모두 접합시키는 접합 부재로 기능하게 된다.
도 1a는 종래 염료감응 태양전지 단위 셀의 단면도이고, 도 1b는 종래 염료감응 태양전지 단위 셀의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지 단위 셀의 단면도이다.
도 3은 상기 단위 셀들을 상호 연결한 구조를 나타내는 염료감응 태양전지 모듈 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 제조방법을 나타내는 단계도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 제조방법을 나타내는 단계도이다.

Claims (6)

  1. 상부에 반도체 전극이 적층된 제 1 전도성 기판; 상기 제 1 전도성 기판과 일정 간격 이격되며, 상기 반도체 전극에 대향하는 상대전극이 적층된제 2 전도성 기판을 포함하는 염료감응 태양전지 단위 셀을 포함하는 염료 감응 태양전지 모듈에 있어서, 상기 염료감응 태양전지 단위 셀은 상기 반도체 전극 및 상대 전극이 적층되지 않은 제 1 전도성 기판 및 제 2 전도성 기판의 주변부 상에 적층되어, 소성된 금속 페이스트에 의하여 연결되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 금속은 은, 니켈, 구리, 납으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 염료감응 태양전지 단위 셀의 연결은 상기 단위 셀의 제 1 전도성 또는 제 2 전도성 기판 상의 금속 페이스트가 인접한 다른 염료감응 태양전지 단위 셀의 제 1 또는 제 2 전도성 기판 상의 금속 페이스트와 연결됨으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈.
  4. 상부에 반도체 전극이 적층된 제 1 전도성 기판; 상기 제 1 전도성 기판과 일정 간격 이격되며, 상기 반도체 전극에 대향하는 상대전극이 적층된제 2 전도성 기판을 포함하는 염료감응 태양전지 단위 셀을 포함하는 염료 감응 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서,
    (a)반도체 전극 및 상대 전극이 적층되지 않은 단위 셀의 제 1 전도성 기판 및 제 2 전도성 기판의 주변부 상에 금속 페이스트를 적층시키는 단계; 및
    (b) 상기 금속 페이스트를 450℃ 이하의 온도에서 소성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 (a) 단계와 (b) 단계 사이에 상기 단위 셀의 주변부를 동일 구조의 인접한 단위 셀의 주변부와 접합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 금속은 은, 니켈, 구리, 납으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈 제조방법.
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