KR20110016072A - 염료감응 태양전지 및 이로부터 구성되는 모듈 - Google Patents

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KR20110016072A
KR20110016072A KR1020090073584A KR20090073584A KR20110016072A KR 20110016072 A KR20110016072 A KR 20110016072A KR 1020090073584 A KR1020090073584 A KR 1020090073584A KR 20090073584 A KR20090073584 A KR 20090073584A KR 20110016072 A KR20110016072 A KR 20110016072A
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김종복
이기두
안현철
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Abstract

본 발명은 염료감응 태양전지 및 이로부터 구성되는 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광전극 기판과 촉매전극 기판이 이격공간을 가지고 봉지재에 의하여 결합되고, 상기 이격공간에 전해질이 채워지는 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 전해질은 광학비드를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 및 이로부터 구성되는 모듈에 관한 것이다.
이를 통하여 광전극 기판을 투과한 빛이 다시 광학비드에 의하여 굴절 또는 반사되어 광전극 기판에 조사되므로, 태양전지의 효율을 높일 수 있고, 특히 투광성을 유지하기 위하여 별도의 산란층을 가지지 않는 BIPV시스템용 염료감응 태양전지의 경우에 더욱 효과적으로 효율을 개선할 수 있으며, 비드에 착색을 하는 경우에는 다양한 색상을 가지는 태양전지를 공급하여 미려한 BIPV시스템을 적용한 건물을 만들 수 있는 효과가 있다.
염료감응, 태양전지, 광학비드

Description

염료감응 태양전지 및 이로부터 구성되는 모듈 {DYE SENSITIZED SOLAR CELL AND DYE SENSITIZED SOLAR CELL MODULE USING THE SAME}
본 발명은 염료감응 태양전지 및 이로부터 구성되는 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광전극 기판을 투과한 빛이 다시 광학비드에 의하여 굴절 또는 반사되어 광전극 기판에 조사되므로, 태양전지의 효율을 높일 수 있고, 특히 투광성을 유지하기 위하여 별도의 산란층을 가지지 않는 BIPV시스템용 염료감응 태양전지의 경우에 더욱 효과적으로 효율을 개선할 수 있으며, 비드에 착색을 하는 경우에는 다양한 색상을 가지는 태양전지를 공급하여 미려한 BIPV시스템을 적용한 건물을 만들 수 있는 염료감응 태양전지 및 이로부터 구성되는 모듈에 관한 것이다.
1991년도 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 염료감응 나노입자 산화티타늄 태양전지가 개발된 이후 이 분야에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 염료감응태양전지는 기존의 실리콘계 태양전지에 비해 제조단가가 현저기 낮기 때문에 기존의 비정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있으며, 실리콘 태양전지와 달리 염료감응태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료분자와, 생성된 전자 를 전달하는 전이금속 산화물을 주 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.
일반적인 염료감응 태양전지의 단위 셀 구조는 상, 하부 투명한 기판과 그 투명기판의 표면에 각각 형성되는 도전성 투명전극을 기본으로 하여, 광전극(제1전극)에 해당하는 일 측의 도전성 투명전극위에는 그 표면에 염료가 흡착된 전이금속 산화물 다공질 층이 형성되어지고, 촉매전극(제2전극)에 해당하는 타 측 도전성 투명전극 위에는 촉매박막전극이 형성되어지며, 상기 전이금속 산화물, 예를 들면 TiO2, 다공질 전극과 촉매박막전극 사이는 일정한 간극으로 이격되어 공간을 형성하고 여기에는 전해질이 충진되어지며, 이러한 전해질의 기밀 보관이 이루어지도록 하기 위하여 봉지재에 의하여 상기 간극은 기밀 되어지는 구조를 가진다.
또한, 일반적인 염료감응 태양전지의 경우에는, 이러한 태양전지 설치 부분에 투명도를 요구하지 않으므로, 태양전지의 효율을 높이기 위하여, 상기 광전극 기판의 상기 이격공간을 향한 면(광전극 기판의 후면에 해당)에 상기 광전극 기판을 지나온 빛을 다시 광전극기판으로 보내는 역할을 하는 산란층을 가지는 것이 일반적이다.
그런데 태양광에너지로 전기를 생산하여 소비자에게 공급하는 것 외에 건물일체형 태양광모듈을 건축물의 창호나 외장재로 사용하여 건설비용을 줄이고, 건물 자체적으로 발전이 가능하며, 친환경적인 건물로 인한 건물의 가치를 높이는 디자인요소로도 쓰이는 BIPV 시스템(Building Integrated Photovoltaic System)에 적용되는 염료감응 태양전지는 창호로서 작용하기 위하여 투명하게 이를 제조하기 위하 여 태양전지 제조 시 상기 산란층을 사용하지 않기 때문에 광전 변환 효율감소를 초래하는 문제점이 있다.
또한, 투명도가 필요하지 않은 모듈의 경우도, 기존에는 고가의 TiO2 산란층을 사용하므로, 원자재 비용이 증대되며, 이러한 산란층의 제조공정이 복잡한 문제점이 있다.
따라서 이와 같은 문제를 해결할 수 있는 염료감응 태양전지 및 이를 이용한 태양전지 모듈의 개발이 절실한 실정이다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 광전극 기판을 투과한 빛이 다시 광학비드에 의하여 굴절 또는 반사되어 광전극 기판에 조사되므로, 태양전지의 효율을 높일 수 있고, 특히 투광성을 유지하기 위하여 별도의 산란층을 가지지 않는 BIPV시스템용 염료감응 태양전지의 경우에 더욱 효과적으로 효율을 개선할 수 있으며, 비드에 착색을 하는 경우에는 다양한 색상을 가지는 태양전지를 공급하여 미려한 BIPV시스템을 적용한 건물을 만들 수 있는 염료감응 태양전지 및 이로부터 구성되는 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
광전극 기판과 촉매전극 기판이 이격공간을 가지고 봉지재에 의하여 결합되고, 상기 이격공간에 전해질이 채워지는 염료감응 태양전지에 있어서,
상기 전해질은 광학비드를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
또한 본 발명은
광전극 기판과 촉매전극 기판이 이격공간을 가지고 봉지재에 의하여 결합되고, 상기 이격공간에 전해질이 채워지는 염료감응 태양전지에 있어서,
상기 광전극 기판의 상기 이격공간을 향한 면에 광학비드를 포함하는 페이스트가 도포되어 형성된 산란층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전 지를 제공한다.
이외에 본 발명은
상기 기술한 염료감응 태양전지가 집적되어 형성되는 염료감응 태양전지 모듈을 제공한다.
본 발명의 염료감응 태양전지 및 이로부터 구성되는 모듈에 따르면. 광전극 기판을 투과한 빛이 다시 광학비드에 의하여 굴절 또는 반사되어 광전극 기판에 조사되므로, 태양전지의 효율을 높일 수 있고, 특히 투광성을 유지하기 위하여 별도의 산란층을 가지지 않는 BIPV시스템용 염료감응 태양전지의 경우에 더욱 효과적으로 효율을 개선할 수 있으며, 비드에 착색을 하는 경우에는 다양한 색상을 가지는 태양전지를 공급하여 미려한 BIPV시스템을 적용한 건물을 만들 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
즉, 종래에는 투명한 염료감응태양전지를 제작할 경우 많은 빛을 투과시키기 때문에 효율 증대가 제한적이었지만, 본 발명에서는 광학 비드를 이용하여 염료감응 태양전지의 전해액 충진 공간에 광학 비드를 흩뿌려서 분산시키면 투명도에는 큰 영향을 미치지 않으면서 효율에 영향을 주고 소멸되는 빛을 산란시켜 염료분자가 느끼는 빛의 량을 증대시켜 효율증대를 가져올 수 있다.
또한 다양한 Size의 비드를 적용할 수 있으므로, 모듈 Size의 증가 시 상판과 하판의 간격을 일정하게 유지 할 수 있는 스페이서로서 상기 비드가 역할을 동시에 할 수 있도록 비드 사이즈를 선택할 수 있는 효과가 있다.
또한 종래의 염료감응 태양전지는 광전 변환 효율을 증대시키기 위해 약 300~400nm size의 TiO2 산란층을 형성하므로, 500 ℃ 이상의 소성공정을 거쳐야 하며 제조 단가 또한 고가의 재료를 사용하였으나, 본 발명에서는 산란층으로 사용되는 물질을 이미 양산되는 광학 비드를 이용하므로 값싼 광학비드를 이용 가능하여 제조단가를 줄일 수 있고, 또한 산란 효과를 증대시키기 위한 산란층의 형성에 있어서도 광학비드를 300 ℃이하의 온도에서 형성할 수 있는 paste를 제조하여 도포할 수 있으므로, 막 형성 온도가 종래보다 저온에서 이뤄지므로 유리기판의 휨에 대한 문제가 현저히 개선되는 효과가 있다.
또한 염료감응 태양전지의 특징인 여러 가지 색 구현이 가능한 특성에서, 동일한 특성에서 다양한 색구현은 불가능하였지만, 본 발명에서는 광학비드내의 멜라민 수지 등에 여러 가지 색소 흡착이 가능하므로 효율을 좌우하는 주요 염료를 바꾸지 않고, 배면에 형성되는 산란층 또는 전해질의 색을 변환시켜 줄 수 있으므로 효율 변화 없는 다양한 색 구현이 가능한 효과가 있다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 염료감응 태양전지는 광전극 기판(10a + 20)과 촉매전극 기판(10b + 30)이 이격공간을 가지고 봉지재(50)에 의하여 결합되고, 상기 이격공간에 전해질(40)이 채워지는 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 전해질(40)은 광학비드(60)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
이에 대한 상세한 설명은 도면을 참고하여 설명한다.
즉, 본 발명의 염료감응 태양전지는 광전극 기판(10a + 20)과 촉매전극 기판(10b + 30)이 이격공간을 가지고 봉지재(50)에 의하여 결합되고, 상기 이격공간에 전해질(40)이 채워지는 염료감응 태양전지에 관한 것으로 이에는 일반적인 염료감응 태양전지 또는 BIPV 시스템용 염료감응 태양전지에 적용되는 염료감응 태양전지가 모두 본 발명에 해당할 수 있다.
여기서 상기 전해질에 광학비드(60)가 포함되는 것으로, 이에 대한 구체적인 예는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같다. 즉, 상기 전해질은 액체 전해질, 겔상 전해질, 고분자 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 될 수 있으며, 바람직하게는 BIPV 시스템용 염료감응 태양전지 등에서 투명도를 확보하기 위하여 액체 전해질인 것이 좋고, 상기 광학비드는 이러한 전해질 내에 분산되어져, 도 4에 도시한 바와 같이, 염료감응 태양전지에 입사되는 빛이 일부는 광전극기판에서 흡수되고, 흡수되지 못하고 이를 통과한 빛은 다시 상기 광학비드에 의하여 반사 또는 굴절되어 다시 상기 광전극기판에 입사되어 재흡수과정을 거치도록 하여 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것이다. (도 4의 좌측 부는 반사에 의한 재흡수 유도과정을, 우측 부는 굴절에 의한 재흡수 유도과정을 도시한다.) 즉, 상기 광학비드는 상기 염료감응 태양전지로 입사하여 상기 광학비드로 입사하는 빛을 상기 광전극 기판 쪽으로 반사 또는 굴절하도록 하여 효율을 향상시키는 것이다.
즉, 상기 광학비드는 액체 전해질의 경우에는 전해질 주입 전 또는 후에 전해질에 섞어서 전해액에 포함되도록 할 수 있고, 기타 고상 또는 겔 상의 경우에는 이의 제조과정에 혼합하여 고상 또는 겔 상에 분산되어지도록 할 수 있다. 여기서 상기 광학비드의 크기는 도 1에 도시한 바와 같이, 동일한 크기의 비드를 사용할 수도 있고, 도 2에 도시한 바와 같이 다양한 크기 및 모양(구형, 타원, 다면체, 원기둥, 다각기둥 등)의 비드를 혼합하여 사용할 수도 있다. 바람직하게는 30㎛ 내지 100㎛의 직경을 가지는 것이 좋다.
특히, 액상 전해질의 경우에는 염료감응 태양전지를 세워서 배치하는 경우에 광학비드가 아래로 몰릴 수 있으므로, 이를 방지하고, 고르게 반사 또는 굴절이 일어날 수 있도록 하기 위하여 바람직하게는 아래의 형태로 이를 구성할 수 있다.
먼저, 상기 광학비드의 전체 부피는 상기 전해질이 채워지는 공간의 적어도 70%인 것이 좋다. 여기서 광학비드의 전체 부피는 광학비드의 순 부피와 이들 사이의 공극부피를 포함하는 의미이고, 상기 부피로 충진하면 비드가 아래로 몰리는 경우에도 비교적 전체 면적 대비 고른 반사 또는 굴절을 얻을 수 있어서 효율 개선 효과를 높일 수 있고, 효율에 영향을 미치지 않으면서도 전해질 충진 량을 줄일 수 있다.
또는 상기 광학비드의 직경이 상기 전해질이 채워지는 공간에서 상기 광전극 기판과 촉매전극 기판 사이 방향 간격(a)의 적어도 70%인 것이 좋다. 이와 같이 비드의 직경이 큰 경우는 비드가 서로 쌓여서 아래로 쏠리는 현상이 현저히 줄어들어 비교적 전체 면적 대비 고른 반사 또는 굴절을 얻을 수 있어서 효율 개선 효과를 높일 수 있다.
이외에 상기 광학비드의 비중을 상기 전해액의 비중과 동일하게 구성함으로 써 광학비드가 아래로 몰리거나, 위로 몰리는 것을 막고 고르게 분산되어지게 할 수 있다. 이를 위하여 상기 광학비드의 중간에 중공부를 두거나, 전해액의 농도를 조절할 수 있다.
또한 상기 광학비드는 상기 기술한 바와 같이 반사 또는 굴절 작용 이외에 상기 전해질이 채워지는 공간에서 상기 광전극 기판과 촉매전극 기판 사이 방향 간격에 배치되므로, 두 기판 사이의 간격을 유지하는 스페이서(spacer)로의 역할도 수행할 수 있다. 이를 위하여 바람직하게는 상기 광학비드의 직경이 상기 전해질이 채워지는 공간에서 상기 광전극 기판과 촉매전극 기판 사이 방향 간격(a)의 적어도 70%인 것이 좋다.
이러한 상기 광학비드는 전해질에서 안정적이고 빛을 반사하거나 굴절하는 기능을 수행하는 입자이면 어떤 형태이든 가능하고, 바람직하게는 높은 반사율을 가지거나 높은 굴절률을 가지는 입자인 것이 좋다. 이에 대한 구체적인 예로는 유리비드, PMMA 비드, 멜라민 수지비드, 전해질에 안정적이면서 반사율이 높은 백금, 금 등과 같이 물질이 코팅된 유리비드, 전해질에 안정적이면서 반사율이 높은 백금, 금 등과 같이 물질이 코팅된 PMMA비드, 전해질에 안정적이면서 반사율이 높은 백금, 금 등과 같이 물질이 코팅된 멜라민 수지비드, 전해질에 안정적이면서 반사율이 높은 백금, 금 등과 같이 물질이 코팅된 세라믹비드, 전해질에 안정적이면서 반사율이 높은 백금, 금 등과 같이 물질이 코팅된 금속비드 등을 들 수 있으며, 바람직하게는 이와 같은 비드들은 염료감응 태양전지가 산란층을 가지는 않는 BIPV시스템용 투명 염료감응 태양전지인 경우에는 색상을 다양하게 구성할 있도록 착색되 어질 수 있다.
또한 바람직하게는 상기 광학비드는 닛산케미컬산업(주)의 OPTBEADS(등록상표)인 것이 좋다. 즉, OPTBEADS는 에 공개된 바와 같이, 내부가 멜라민 수지의 구체이고, 이의 표면에 실리카가 얇게 도포되고, 다시 이의 외면에 멜라민 수지가 도포된 형태의 구조를 가져 약 1.65의 높은 굴절률을 가져 입사광의 광전극으로의 재입사를 유도한다. 더욱 바람직하게는 상기 기술한 바와 같이, 상기 닛산케미컬산업(주)의 OPTBEAD 광학비드의 멜라민 수지도 착색되어져, 색상을 다양하게 구성할 있도록 할 수 있다.
또한 상기 광학비드를 이용한 효율개선의 방법으로, 본 발명은 광전극 기판과 촉매전극 기판이 이격공간을 가지고 봉지재에 의하여 결합되고, 상기 이격공간에 전해질이 채워지는 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 광전극 기판의 상기 이격공간을 향한 면에 광학비드(60)를 포함하는 페이스트가 도포되어 형성된 산란층(70)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
즉, BIPV 시스템용 염료감응 태양전지가 아닌 경우에는 광전 변환 효율 개선을 위하여 상기 광전극 기판의 상기 이격공간을 향한 면(즉, 상기 광전극 기판의 이면)에 산란층을 부가하는 경우가 있는데, 이 경우에 일반적으로는 약 300~400nm size의 TiO2 산란층을 형성하나, 이산화티탄과 같은 고가의 재료를 도포하고, 500 ℃ 이상의 고온의 소성 공정을 진행하게 되는데, 본 발명과 같이 상기 광학비드가 분산된 페이스트를 도포하는 경우에는 저가에 낮은 온도에서도 형성이 가능하여 유 리기판의 휨에 대한 문제가 현저히 개선할 수 있다.
이와 같이 산란층을 형성한 염료감응 태양전지의 구체적인 예는 도 5에 도시한 바와 같으며, 이에 따른 효율 개선의 기작은 도 6에 도시한 바와 같다. 즉, 도 6의 좌측 부는 반사에 의한 재흡수 유도과정을, 우측 부는 굴절에 의한 재흡수 유도과정을 도시한다.
여기에 사용되는 광학비드는 상기 기술한 바와 동일한 비드를 이에 적용할 수 있고, 여기서도 상기 기술한 바와 같이 착색이 가능하여 산란층의 다양한 색 구현이 가능하도록 할 수 있다.
이외에 본 발명은 상기 기술한 염료감응 태양전지가 집적되어 형성되는 염료감응 태양전지 모듈을 제공하며, 바람직하게는 상기 염료감응 태양전지가 집적되어 형성되는 염료감응 태양전지 모듈로서, 상기 염료감응 태양전지 모듈은 BIPV 시스템에 적용되는 것이 좋다.
이는 통상의 모든 염료감응 태양전지 모듈에 적용될 수 있으며, 특히 상기 기술한 바와 같이, 산란층이 없는 투명한 BIPV 시스템용 염료감응 태양전지 모듈의 경우는 광학비드의 적용에 따라 효율 개선을 현저히 이룰 수 있다. 염료감응 태양전지 셀의 모듈로의 집적은 통상의 방법 및 구조를 통하여 이를 수행할 수 있음은 물론이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 상세한 설명, 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.
도 1은 본 발명의 광학비드를 포함하는 염료감응 태양전지에 대한 일 실시예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 광학비드를 포함하는 염료감응 태양전지에 대한 다른 실시예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 광학비드를 포함하는 염료감응 태양전지에 대한 또 다른 실시예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 광학비드를 포함하는 염료감응 태양전지에서 전해질 내부에서 광학비드의 기작을 개략적으로 확대도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 광학비드를 포함하는 염료감응 태양전지에 대한 실시예로 광학비드를 포함하는 산란층을 구성한 경우를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 광학비드를 포함하는 염료감응 태양전지에서 광학비드를 포함하는 산란층을 구성한 경우에서 산란층 내의 광학비드 기작을 개략적으로 확대도시한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10a: 상면 유리기판 10b: 하면 유리기판
20: 광전극 30: 촉매전극
40: 전해질 50: 봉지재
60: 광학비드 70: 산란층

Claims (10)

  1. 광전극 기판과 촉매전극 기판이 이격공간을 가지고 봉지재에 의하여 결합되고, 상기 이격공간에 전해질이 채워지는 염료감응 태양전지에 있어서,
    상기 전해질은 광학비드를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해질은 전해액이고,
    상기 광학비드의 전체 부피는 상기 전해질이 채워지는 공간의 적어도 70%인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광학비드의 직경은 상기 전해질이 채워지는 공간에서 상기 광전극 기판과 촉매전극 기판 사이 방향 간격의 적어도 70%이고, 상기 광학비드는 상기 전해질이 채워지는 공간에서 상기 광전극 기판과 촉매전극 기판 사이의 스페이서 역할을 하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전해질은 전해액이고,
    상기 광학비드의 비중은 상기 전해질의 비중과 동일한 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  5. 광전극 기판과 촉매전극 기판이 이격공간을 가지고 봉지재에 의하여 결합되고, 상기 이격공간에 전해질이 채워지는 염료감응 태양전지에 있어서,
    상기 광전극 기판의 상기 이격공간을 향한 면에 광학비드를 포함하는 페이스트가 도포되어 형성된 산란층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 광학비드는 상기 염료감응 태양전지로 입사하여 상기 광학비드로 입사하는 빛을 상기 광전극 기판 쪽으로 반사 또는 굴절하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광학비드는 닛산케미컬산업(주)의 OPTBEADS인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 닛산케미컬산업(주)의 OPTBEAD 광학비드의 멜라민 수지는 착색되어지는 인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  9. 제1항 또는 제4항의 염료감응 태양전지가 집적되어 형성되는 염료감응 태양전지 모듈.
  10. 제1항의 염료감응 태양전지가 집적되어 형성되는 염료감응 태양전지 모듈로서, 상기 염료감응 태양전지 모듈은 BIPV 시스템에 적용되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈.
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