KR20100115174A - 염료감응 태양전지의 밀봉방법 및 밀봉단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법 - Google Patents
염료감응 태양전지의 밀봉방법 및 밀봉단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 장기 안정성이 향상되도록 밀봉처리된 염료감응 태양전지, 염료감응 태양전지의 제조방법 및 염료감응 태양전지의 밀봉방법에 관한 것으로써, 종래의 밀봉방식에 의해 밀봉한 염료감응 태양전지와 비교하여 대등한 광변환 효율을 가지며 장기 안정성은 향상될 수 있도록 밀봉처리된 염료감응 태양전지, 염료감응 태양전지의 제조방법 및 염료감응 태양전지의 밀봉방법을 제공할 수 있다.
염료감응 태양전지, 글라스 프릿, 접착성 고분자, 밀봉, 장기 안정성
Description
본 발명은 장기 안정성이 향상되도록 밀봉처리된 염료감응 태양전지, 염료감응 태양전지의 제조방법 및 염료감응 태양전지의 밀봉방법에 관한 것이다.
최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정 에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 장치로서, 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
이와 같은 태양전지를 물질별로 크게 구분하면 무기물 태양전지(inorganic solar cell), 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell) 및 유기물 태양전지(organic solar cell)가 있다.
무기물 태양전지로서 단결정 실리콘이 주로 사용되고 있고, 이러한 단결정 실리콘계 태양전지는 박막형 태양전지로 제조될 수 있는 장점을 가지나, 많은 비용이 소요되고, 안정성이 낮은 문제점을 가지고 있다.
염료감응 태양전지는 기존의 p-n 접합에 의한 실리콘 태양전지와는 달리, 가시광선의 빛을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다. 염료감응 태양전지는 기존 실리콘을 기반으로 하는 태양 전지와 비교했을 때 빛과 열에 대한 장시간 노출에도 견딜 수 있으며, 저렴하고 용이하게 에너지를 생산할 수 있다.
지금까지 알려진 염료감응 태양전지 중 대표적인 예로서 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것이 있다(미국등록특허 제4,927,721호 및 제5,350,644호). 그라첼 등에 의해 제안된 염료감응 태양전지는 염료 분자가 입혀진 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 반도체 전극과, 백금 또는 탄소가 코팅된 대향 전극과, 이들 전극 사이에 채워진 전해질 용액으로 구성되어 있다. 이 광전기화학적 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 전력당 제조 원가가 저렴하여 주목받아 왔다. 이러한 그라첼이 개발한 염료감응 태양전지 기술은 값비싼 실 리콘 태양 전지의 저렴한 대안으로 유망하다는 사실을 보여 주었다.
현재 이산화티탄을 근간으로 하는 염료감응 태양전지는 전반적인 광전환 효율은 11% 미만으로 실리콘 태양 전지 기술보다 약 2배 가량 낮다. 염료감응 태양전지의 주요 방해 요인은 휘발성 유기 용매(VOC; volatile organic solvent)로 구성된 전해질 용액으로, 전해질 용액은 주의 깊게 밀봉될 필요가 있다. 용매가 플라스틱에 스며들기 때문에 휘발성 유기 용매로 구성된 전해질 용액은 대규모 실외 적용과 유연성 있는 구조로의 통합을 불가능하게 하는 요인으로 작용해 왔다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 최근 염료감응 태양전지에서 전해질 용액을 밀봉하기 위한 방법이 활발히 연구되고 있다. 염료감응 태양전지에서 전해질 용액을 밀봉하기 위한 가장 일반적인 방법은 고분자 접착제를 이용하는 것이고, 이외에 염료감응 태양전지에서 전해질 용액을 밀봉하기 위한 방법으로 전해질 용액을 썰린(SURLYN ; Du Pont사의 상품명)과 같은 고분자로 이루어지는 고분자층 또는 고분자 필름으로 밀봉시키는 방법이 대한민국특허 제0648273호, 대한민국특허 제0578799호 등을 통하여 알려진 바 있다.
또한, 프라운호퍼 태양 에너지 시스템 연구소(Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems)에서는 염료감응 태양전지에서 전해질 용액을 밀봉하기 위한 방법으로 고분자 접착제를 이용하는 대신 글라스 프릿(glass frit)으로 밀봉시키는 기술을 개발하였고, 이 기술의 특징은 유리 파우더를 유리창살에 스크린 인쇄한 후 섭씨 600℃의 온도로 이들을 융합시켜 밀봉하는 것이다.
그러나, 상술한 염료감응 태양전지에서의 전해질 용액을 썰린(SURLYN ; Du Pont사의 상품명)으로 고분자층을 형성하여 밀봉시키는 방법은 전해질 용액이 조금씩 썰린에 녹아 들어가서 증발해 버리는 문제점이 있으며, 오랜 시간이 지나면 썰린의 접착강도가 약해져서 작업전극과 상대전극이 분리됨으로써 전지가 손상되는 문제점이 있다.
또한, 프라운호퍼 태양 에너지 시스템 연구소에서 개발한 글라스 프릿(glass frit)으로 염료감응 태양전지를 밀봉시키는 기술은 장기 안정성이 우수하나 유기물질보다 밀봉 온도(300 ~ 500℃)가 높아서 작업전극과 상대전극을 접합한 후에 염료를 흡착시켜야 하므로 제조공정이 매우 복잡하고 제조시간이 많이 소요되는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명자들은 글라스 프릿을 사용하여 염료감응 태양전지를 밀봉하기 위한 방법에 대해 예의 연구를 거듭한 결과, 기존의 썰린(SURLYN ; Du Pont사의 상품명)을 이용하여 밀봉한 태양전지와 비교하여 대등한 광변환 효율을 가지며 동시에 장기 안정성은 향상될 수 있도록 밀봉처리된 염료감응 태양전지, 염료감응 태양전지의 제조방법 및 염료감응 태양전지의 밀봉방법을 개발하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 종래의 밀봉방식에 의해 제조되는 염료감응 태양전지와 대등한 광변환 효율을 나타내며 동시에 장기 안정성은 향상될 수 있는 염료감응 태양전지, 염료감응 태양전지의 제조방법 및 염료감응 태양전지의 밀봉방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 글라스 프릿을 사용하여 밀봉하는 염료감응 태양전지의 제조방법에 비해 보다 간단하고 낮은 비용이 소요되는 밀봉방식을 사용하며, 장기 안전성 또한 우수한 염료감응 태양전지의 제조방법 및 염료감응 태양전지의 밀봉방법을 제공하기 위한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판의 상부에 글라스 프릿 테두리층을 형성하고, 형성된 글라스 프릿 테두리 층의 내측에 염료가 흡착된 나노 산화물층을 형성하여 음극계 전극을 제조하는 단계(단계 1); 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판의 상부에 글라스 프릿 테두리층을 형성하고, 형성된 글라스 프릿 테두리 층의 내측에 금속층을 형성하여 양극계 전극을 제조하는 단계(단계 2); 상기 음극계 전극 또는 양극계 전극 중 하나의 전극에 형성된 글라스 프릿 테두리 층에 발열체 패턴을 형성하는 단계(단계 3); 및 상기 단계 3에서 글라스 프릿 테두리 층에 발열체 패턴이 형성된 전극과 다른 전극을 대향시킨 후, 발열체 패턴에 전압을 인가하여 양 전극을 접합시킴으로써 밀봉하는 단계(단계 4)를 포함하여 이루어진 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판의 상부에 글라스 프릿 테두리층을 형성한 후 음극계 전극을 제조하는 단계(단계 a); 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판의 상부에 글라스 프릿 테두리층을 형성한 후 양극계 전극을 제조하는 단계(단계 b); 상기 제조된 음극계 전극 또는 양극계 전극 중 하나의 전극에 형성된 글라스 프릿 테두리 층에 발열체 패턴을 형성하는 단계(단계 c); 및 상기 단계 c에서 글라스 프릿 테두리 층에 발열체 패턴이 형성된 전극과 다른 전극을 대향시킨 후, 발열체 패턴에 전압을 인가하여 양 전극을 접합시킴으로써 밀봉하는 단계(단계 d)를 포함하는 염료감응 태양전지의 밀봉방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 음극계 전극; 양극계 전극 및 양 전극의 테두리에 위치한 밀봉부를 포함하여 이루어진 염료감응 태양전지로서, 상기 밀봉부는 상기 음극계 전극과 양극계 전극에 형성된 글라스 프릿 테두리층 및 양 전극의 글라스 프릿 테두리층 사이에 개재된 발열체 패턴형성부로 이루어지며, 상기 밀봉부의 발열체 패턴형성부에 전압을 인가함으로써 양 전극이 결합된 구조를 갖는 염료감응 태양전지를 제공한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은,
투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판의 상부에 글라스 프릿 테두리층을 형성하고, 형성된 글라스 프릿 테두리 층의 내측에 염료가 흡착된 나노 산화물층을 형성하여 음극계 전극을 제조하는 단계(단계 1);
투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판의 상부에 글라스 프릿 테두리층을 형성하고, 형성된 글라스 프릿 테두리 층의 내측에 금속층을 형성하여 양극계 전극을 제조하는 단계(단계 2);
상기 음극계 전극 또는 양극계 전극 중 하나의 전극에 형성된 글라스 프릿 테두리 층에 발열체 패턴을 형성하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 글라스 프릿 테두리 층에 발열체 패턴이 형성된 전극과 다른 전극을 대향시킨 후, 발열체 패턴에 전압을 인가하여 양 전극을 접합시킴으로써 밀봉하는 단계(단계 4)를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공한다.
하기에서 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법을 도 1 내지 도 4를 참조하여 단계별로 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 음극계 전극의 측단면도이다.
단계 1에서는 투명 전도성 산화물층(2)이 형성된 투명 기판(1)의 상부에 글라스 프릿 테두리층(3)을 형성하고, 형성된 글라스 프릿 테두리층(3)의 내측에 염료가 흡착된 나노 산화물층(4)을 형성하여 음극계 전극(10)을 제조한다.
도 1을 참조하여 보다 상세히 설명하면, 우선 투명 전도성 산화물층(2)이 형성된 투명 기판(1)의 상부에 글라스 프릿 테두리층(3)을 형성한다. 글라스 프릿 테두리층(3)은 내측에 형성될 염료가 흡착된 나노 산화물층(4)의 크기와 두께를 고려하여 형성되며, 보다 구체적으로 글라스 프릿 테두리층(3)은 염료가 흡착된 나노 산화물층(4)의 크기 및 두께를 고려하여 유리 창살로 테두리의 윤곽을 형성한 후 유리 분말을 유리 창살에 스크린 인쇄하여 형성된다. 이와 같이 투명 기판(1) 상에 글라스 프릿 테두리층(3)을 형성한 후 300∼500 ℃에서 열처리하여 유리 창살과 유리 분말이 융합되도록 한다. 이외에도 글라스 프릿으로 테두리를 형성하는 다양한 방법이 사용될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 투명 기판(1)으로는 유리 기판 또는 투명한 플라스틱 기판을 사용할 수 있으며, 상기 투명한 플라스틱 기판으로는 폴리에틸렌테레프탈레이드(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌(PE), 폴리에테르설폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리이미드(PI) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 투명 기판(1)의 상부에는 투명 전도성 산화물층(2)이 형성되며, 투명 전도성 산화물층(2)의 소재로는 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO), 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드 (AZO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드 (IZTO-Ag-IZTO), 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO) 등을 사용 할 수 있으며, 특히 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO)가 바람직하다. 이러한 투명 전도성 산화물층(2)은 스퍼터링(sputtering), 화학기상증착(CVD), 증기증착(evaporation), 열산화(thermal oxidation), 전기화학적 증착(electrochemical anodization(deposition)) 중 어느 한 방법에 의해 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 투명 전도성 산화물층(2)이 형성된 투명 기판(1)의 상부에 글라스 프릿 테두리층(3)을 형성한 후, 글라스 프릿 테두리층(3) 내측에 염료가 흡착된 나노 산화물층(4)을 형성한다.
상기 염료가 흡착된 나노 산화물층(4)을 형성하기 위해 글라스 프릿 테두리층(3) 내측에 나노 산화물층을 형성한다. 상기 나노 산화물층은 전이금속산화물, 특히 이산화티탄으로 구비될 수 있으며, 이산화티탄이 포함된 조성물이 닥터 블레이드법, 스크린 프린팅법 등에 의해 도포되어 형성될 수 있다.
이후, 상기 글라스 프릿 테두리층(3) 내측에 형성된 나노 산화물층에 염료를 흡착시키기 위해서, 나노 산화물층이 형성된 투명 기판(1)을 염료 용액에 침지시켜 염료를 흡착시킨다.
상기 염료 용액으로는 염료와 알콜 용액을 혼합한 것을 사용할 수 있으며, 상기 염료로는 루테늄(Ru) 복합체를 포함하여 가시광을 흡수할 수 있는 물질을 사용할 수 있고, 이외에도 가시광내의 장파장 흡수를 개선하여 효율을 향상시키는 염료 및 전자 방출이 용이한 새로운 타입의 염료를 사용할 수 있음은 물론이다.
이와 같이, 투명 전도성 산화물층(2)이 형성된 투명 기판(1)의 상부에 글라스 프릿 테두리층(3)을 형성하고, 형성된 글라스 프릿 테두리층(3)의 내측에 염료 가 흡착된 나노 산화물층(4)을 형성하여 음극계 전극(10)을 제조한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 양극계 전극의 측단면도이다.
단계 2에서는 투명 전도성 산화물층(22)이 형성된 투명 기판(21)의 상부에 글라스 프릿 테두리층(23)을 형성하고, 형성된 글라스 프릿 테두리층(23)의 내측에 금속층(25)을 형성하여 양극계 전극(20)을 제조한다.
도 2를 참조하여 보다 상세히 설명하면, 상기 단계 1에서와 동일하게 우선 투명 전도성 산화물층(22)이 형성된 투명 기판(21)의 상부에 글라스 프릿 테두리층(23)을 형성한다. 글라스 프릿 테두리층(23)은 내측에 형성될 금속층(25)의 크기와 두께를 고려하여 형성되며, 보다 구체적으로 글라스 프릿 테두리층(23)은 내측에 형성될 금속층(25)의 크기 및 두께를 고려하여 유리 창살로 테두리의 윤곽을 형성한 후 유리 분말을 유리 창살에 스크린 인쇄하여 형성된다. 이와 같이 투명 기판(21) 상에 글라스 프릿 테두리층(23)을 형성한 후 300∼500 ℃에서 열처리하여 유리 창살과 유리 분말이 융합되도록 한다.
상기 투명 기판(21)으로는 상술한 바와 같이 유리 기판 및 투명한 플라스틱 기판을 사용할 수 있다.
상기 단계 1 및 단계 2에서 투명 기판 상에 형성된 글라스 프릿 테두리층(3 및 23)은 서로 결합될 수 있도록 동일한 크기 및 형태로 형성된다.
이와 같이 투명 전도성 산화물층(22)이 형성된 투명 기판(21)의 상부에 글라스 프릿 테두리층(23)을 형성한 후, 다음으로 글라스 프릿 테두리층(23) 내측에 금 속층(25)을 형성한다.
상기 금속층(25)은 통전이 가능한 물질로 구성되는데, 바람직하게는 백금(Pt) 등과 같은 귀금속 물질로 구비될 수 있다. 백금(Pt)은 반사도가 좋아서, 투과된 가시광이 태양전지의 내부로 반사되어 광흡수의 효율에 유리하다. 또한, 백금(Pt) 이외에도 저항값이 낮은 다른 귀금속 물질도 사용할 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같이 투명 전도성 산화물층(22)이 형성된 투명 기판(21)의 상부에 글라스 프릿 테두리층(23)을 형성하고, 형성된 글라스 프릿 테두리층(23)의 내측에 금속층(25)을 형성하여 양극계 전극(20)을 제조한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 음극계 전극과 양극계 전극을 밀봉시키는 과정을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 3을 참조하면, 단계 3에서는 상기 음극계 전극 또는 양극계 전극 중 하나의 전극(10)에 형성된 글라스 프릿 테두리 층(3) 상부에 발열체 패턴(5)을 형성하는 단계이다. 보다 구체적으로, 상기 단계 1 및 단계 2에서 제조한 음극계 전극 또는 양극계 전극 중 어느 한 전극의 글라스 프릿 테두리 층(3 및 23) 상부에 발열체로 사용될 수 있는 금속선 또는 합금선으로 패턴을 형성한다. 이러한 패턴은 도 3에 나타난 바와 같이 지그재그형일 수도 있고, 직선형일 수도 있으며, 발열체에 전압을 인가하여 글라스 프릿 테두리 층 계면에 균일하게 열이 가할 수 있는 패턴이면 제한없이 사용될 수 있다. 도 3에 나타난 바와 같이, 상기 발열체 패턴은 음극계 전극 또는 양극계 전극의 글라스 프릿 테두리층(3 및 23)의 각 모서리에서 외부 로 연장되어 형성됨으로써 연장된 부분에 전압을 인가할 수 있게 한다. 상기 외부로 연장된 발열체 패턴은 하기 단계 4를 거쳐 염료감응 태양전지를 제조한 후 제거할 수 있다.
상기 발열체로 사용될 수 있는 금속 또는 합금으로는 니켈/크롬 합금, 백금, 칸탈, 구리, 흑연, 알루미늄, 주석 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따라 음극계 전극과 양극계 전극을 결합시킨 후 전압을 인가하여 밀봉하기 전 상태를 나타내는 측단면도이다. 도 4를 참조하면, 단계 4에서는 글라스 프릿 테두리 층(3)에 발열체 패턴이 형성된 전극(10)과 다른 전극(20)을 대향시킨 후, 발열체 패턴(5)에 전압을 인가하여 양 전극을 접합시킴으로써 밀봉처리된 염료감응 태양전지(40)를 제조한다.
도 4를 참조하여 보다 상세히 설명하면, 상기 단계 3에서 글라스 프릿 테두리 층(3)에 발열체 패턴(5)이 형성된 전극(10)을 형성한 후 나머지 다른 전극(20)을 대향시켜 결합시킨 후 발열체 패턴(5)에 DC 전압을 인가하는 경우 전기 저항에 의해 열이 발생하여 양 전극의 글라스 프릿 테두리 층 계면이 부분적으로 용융되어 서로 결합할 수 있게 된다. 상기와 같이 발열체 패턴(5)에 도선을 연결하여 전압을 인가하는 방식은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
이와 같이, 상기 단계 1에서 제조된 음극계 전극(10)과 단계 2에서 제조된 양극계 전극(20)을 대향시킨 후, 양 전극 상에 개재된 발열체에 전압을 가하여 밀봉함으로써 염료감응 태양전지(40)를 제조한다.
본 발명의 염료감응 태양전지의 제조방법은 상기 단계 4에서 음극계 전극과 양극계 전극을 접합하여 밀봉시킨 후, 양극계 전극에 타공된 구멍을 통해 전해질 용액을 투입한 후, 상기 구멍을 밀봉하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 양극계 전극에 형성된 구멍은 상기 단계 2에서 양극계 전극을 형성한 후 타공된 구멍일 수 있고, 상기 단계 4에서 음극계 전극과 양극계 전극을 밀봉한 후 타공된 구멍일 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 전해질 용액으로는 산화-환원 반응에 의해 전자를 공급할 수 있는 범위 내에서 다양한 재료를 이용할 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명은 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판의 상부에 글라스 프릿 테두리층을 형성한 후 음극계 전극을 제조하는 단계(단계 a); 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판의 상부에 글라스 프릿 테두리층을 형성한 후 양극계 전극을 제조하는 단계(단계 b); 상기 제조된 음극계 전극 또는 양극계 전극 중 하나의 전극에 형성된 글라스 프릿 테두리 층에 발열체 패턴을 형성하는 단계(단계 c); 및 상기 단계 c에서 글라스 프릿 테두리 층에 발열체 패턴이 형성된 전극과 다른 전극을 대향시킨 후, 발열체 패턴에 전압을 인가하여 양 전극을 접합시킴으로써 밀봉하는 단계(단계 d)를 포함하는 염료감응 태양전지의 밀봉방법을 제 공한다.
상술한 바와 마찬가지로, 상기 단계 a 및 단계 b에서 투명 기판 상의 글라스 프릿 테두리층은 서로 결합될 수 있도록 동일한 크기 및 형태로 형성되며, 이후 300∼500 ℃에서 열처리되는 것이 바람직하다.
종래의 글라스 프릿(glass frit)으로 염료감응 태양전지를 밀봉시키는 기술은 유기물질보다 밀봉 온도(350 ~ 500℃)가 높아서 작업전극과 상대전극을 접합한 후에 염료를 흡착시켜야 하므로 제조공정이 매우 복잡해지고 제조시간이 많이 소요되는 문제점이 있으나, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 밀봉방법은 작업전극과 상대전극의 제조시 각각의 전극에 미리 글라스 프릿을 형성한 후 전극을 제조하고, 이후 양 전극의 글라스 프릿 사이에 개재된 발열체에 전압을 인가하여 양 글라스 프릿 계면을 부분 용융시켜 결합시키는 방식을 사용함으로써 제조공정이 단순화될 수 있고, 제조비용이 절감될 수 있는 장점을 가진다.
또한, 본 발명은 음극계 전극; 양극계 전극 및 양 전극의 테두리에 위치한 밀봉부를 포함하여 이루어진 염료감응 태양전지로서, 상기 밀봉부는 상기 음극계 전극과 양극계 전극에 형성된 글라스 프릿 테두리층 및 양 전극의 글라스 프릿 테두리층 사이에 개재된 발열체 패턴형성부로 이루어지며, 상기 밀봉부의 발열체 패턴형성부에 전압을 인가함으로써 양 전극이 결합된 구조를 갖는 염료감응 태양전지를 제공한다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 고분자 접착제를 사용하여 밀봉된 염료감응 태양전지와 대등한 광변환 효율을 나타내며 장기 안정성이 향상된 특징을 갖는다.
본 발명은 종래의 염료감응 태양전지의 밀봉방법보다 개선된 밀봉방법을 사용함으로써 종래의 염료감응 태양전지와 대등한 광변환 효율을 나타내며 동시에 장기 안정성은 향상될 수 있는 염료감응 태양전지, 염료감응 태양전지의 제조방법 및 염료감응 태양전지를 제공할 수 있는 효과를 가진다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
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실시예
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(1)
음극계
전극의 제조
불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 유리 기판을 준비하였다. 상기 기판의 투명 전도성 산화물층 상부에 테두리 모양으로 글라스 프릿을 코팅하여 글라스 프릿 테두리층을 형성하였고, 450 ℃에서 30분 동안 열처리하였다. 상기 기판의 테두리 내측에 이산화티탄을 포함하는 코팅용 조성물을 닥터블레이드법으로 도포하고, 500 ℃에서 30분 동안 열처리하여, 나노크기의 금속 산화물 간의 접촉 및 충진이 이루어지도록 하여 약 8 ㎛ 두께의 나노 산화물층을 형성시켰다. 이어서, 상기 나노 산화물층의 상부에 이산화티탄을 포함하는 코팅용 조성물을 동일한 방법으로 도포하고, 500 ℃의 온도에서 30분 동안 열처리하여 약 15 ㎛ 두께의 나노 산화물층을 형성시켰다. 이후 0.2 mM의 루테늄 디티오시아네이트 2,2′-비피리딜-4,4′-디카르복실레이트 염료 용액을 제조하였다. 여기에 상기 나노 산화물층이 형성된 기판을 24 시간 동안 담지한 후 건조시켜 나노크기의 금속 산화물에 염료를 흡착시켜 음극계 전극을 제조하였다.
(2)
양극계
전극의 제조
불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 유리 기판을 준비하였다. 상기 기판의 투명 전도성 산화물층 상부에 테두리 모양으로 글라스 프릿을 코팅하고, 450 ℃에서 30분 동안 열처리하였다. 상기 기판에 형성된 글라스 프릿 위에 구리 페이스트를 이용하여 발열체를 코팅하였다. 상기 기판의 테두리 안에 투명 전도성 산화물층 상부에 육염화백금산(H2PtCl6)이 녹아있는 2-프로판올 용액을 떨어뜨린 후, 450 ℃에서 30분 동안 열처리하여 백금층을 형성시켜 양극계 전극을 제조하였다. 제조된 양극에 드릴을 이용하여 두 개의 구멍을 형성하였다.
(3) 염료감응 태양전지의 제조
제조된 음극계 전극의 나노 산화물층과 양극계 전극의 백금층이 서로 대향하도록 한 후, 발열체에 전기를 천천히 가하여 글라스 프릿이 녹아 접합 되도록 하여 두 전극을 밀봉하였다. 이후, 0.1 M의 LiI, 0.05 M의 I2, 0.3 M의 1,2-디메틸-3-프로필-이미다졸륨 아이오다이드(DMPII), 0.5 M의 2-(디메틸아미노)-피리딘, 0.5 M의 5-클로로-1-에틸-2-메틸이미다졸을 에틸렌카보네이트 3 ㎕와 감마-부티로락톤 7 ㎕의 혼합용액에 용해시켜 액체 전해액을 제조하였다. 제조된 전해질 용액을 양극의 구멍으로 주입하고 구멍을 썰린(SURLYN; Du Pont사 상품명)과 유리를 이용하여 밀봉하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 음극계 전극의 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 양극계 전극의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 음극계 전극과 양극계 전극을 밀봉시키는 과정을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따라 음극계 전극과 양극계 전극을 결합시킨 후 전압을 인가하여 밀봉하기 전 상태를 나타내는 측단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1, 21 : 투명 기판 2, 22 : 투명 전도성 산화물층
3, 23 : 글라스 프릿 테두리층 4 : 염료가 흡착된 나노산화물층
5 : 발열체 패턴형성부 10 : 음극계 전극 20 : 양극계 전극 25 : 금속층
30 : 접착성 고분자층 40 : 염료감응 태양전지
Claims (8)
- 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판의 상부에 글라스 프릿 테두리층을 형성하고, 형성된 글라스 프릿 테두리 층의 내측에 염료가 흡착된 나노 산화물층을 형성하여 음극계 전극을 제조하는 단계(단계 1);투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판의 상부에 글라스 프릿 테두리층을 형성하고, 형성된 글라스 프릿 테두리 층의 내측에 금속층을 형성하여 양극계 전극을 제조하는 단계(단계 2);상기 음극계 전극 또는 양극계 전극 중 하나의 전극에 형성된 글라스 프릿 테두리 층에 발열체 패턴을 형성하는 단계(단계 3); 및상기 단계 3에서 글라스 프릿 테두리 층에 발열체 패턴이 형성된 전극과 다른 전극을 대향시킨 후, 상기 발열체 패턴에 전압을 인가하여 양 전극을 접합시킴으로써 밀봉하는 단계(단계 4)를 포함하여 이루어진 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 단계 1 및 단계 2에서 투명 기판 상에 글라스 프릿 테두리층을 형성한 후 300∼500 ℃에서 열처리 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전 지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 발열체 패턴은 니켈/크롬 합금, 백금, 칸탈, 구리, 흑연, 알루미늄 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 또는 합금을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 장기 안정성이 향상되도록 밀봉처리된 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판의 상부에 글라스 프릿 테두리층을 형성한 후 음극계 전극을 제조하는 단계(단계 a);투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 기판의 상부에 글라스 프릿 테두리층을 형성한 후 양극계 전극을 제조하는 단계(단계 b);상기 제조된 음극계 전극 또는 양극계 전극 중 하나의 전극에 형성된 글라스 프릿 테두리 층에 발열체 패턴을 형성하는 단계(단계 c); 및상기 단계 c에서 글라스 프릿 테두리 층에 발열체 패턴이 형성된 전극과 다른 전극을 대향시킨 후, 발열체 패턴에 전압을 인가하여 양 전극을 접합시킴으로써 밀봉하는 단계(단계 d)를 포함하는 염료감응 태양전지의 밀봉방법.
- 제4항에 있어서,상기 단계 a 및 단계 b에서 투명 기판 상에 글라스 프릿 테두리층을 형성한 후 300∼500 ℃에서 열처리 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 밀봉방법.
- 제4항에 있어서,상기 발열체 패턴은 니켈/크롬 합금, 백금, 칸탈, 구리, 흑연, 알루미늄 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 또는 합금을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 밀봉방법.
- 음극계 전극; 양극계 전극 및 양 전극의 테두리에 위치한 밀봉부를 포함하여 이루어진 염료감응 태양전지로서,상기 밀봉부는 상기 음극계 전극과 양극계 전극에 형성된 글라스 프릿 테두리층 및 양 전극의 글라스 프릿 테두리층 사이에 개재된 발열체 패턴형성부로 이루어지며, 상기 밀봉부의 발열체 패턴형성부에 전압을 인가함으로써 양 전극이 결합된 구조를 갖는 염료감응 태양전지.
- 제7항에 있어서,상기 발열체 패턴형성부는 니켈/크롬 합금, 백금, 칸탈, 구리, 흑연, 알루미늄 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 또는 합금을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020090033776A KR20100115174A (ko) | 2009-04-17 | 2009-04-17 | 염료감응 태양전지의 밀봉방법 및 밀봉단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020090033776A KR20100115174A (ko) | 2009-04-17 | 2009-04-17 | 염료감응 태양전지의 밀봉방법 및 밀봉단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20100115174A true KR20100115174A (ko) | 2010-10-27 |
Family
ID=43134134
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020090033776A KR20100115174A (ko) | 2009-04-17 | 2009-04-17 | 염료감응 태양전지의 밀봉방법 및 밀봉단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20100115174A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101422509B1 (ko) * | 2013-07-31 | 2014-07-29 | 주식회사 상보 | 표면구조화 ａｚｏ 글래스 투명전극을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 |
-
2009
- 2009-04-17 KR KR1020090033776A patent/KR20100115174A/ko not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101422509B1 (ko) * | 2013-07-31 | 2014-07-29 | 주식회사 상보 | 표면구조화 ａｚｏ 글래스 투명전극을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 |
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