KR20110047402A - 염료감응형 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
태양 전지의 활용도를 높이기 위해 태양 전지에 사용되는 재료, 물질 구성 및 새로운 환경에 응용가능하게는 하는 염료감응형 태양 전지는 하부 기판 및 상부 기판 사이에 개재되는 전해질; 상기 하부 기판의 상부 상에 형성되는 하부 전극; 상기 상부 기판의 하부 상에 각각 형성되는 상부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성되는 상대 전극; 및 상기 상대 전극 상부에 형성되며, 그 표면에 염료 흡착되는 전이 금속을 포함하며, 상기 전이 금속은 니오브(Nb) 와/내지 지르코늄(Zr)의 나노 입자를 포함한다.
염료감응, 태양 전지, 지르코늄, 엠보싱, 스테인글라스, 플라즈마,
Description
본 발명은 염료감응형 태양 전지(DSSC: Dye-sensitized Solar Cell)에 관한 것으로 특히, 태양 전지의 활용도를 높이기 위해 태양 전지에 사용되는 재료, 물질 구성 및 새로운 환경에 응용가능하게 하는 염료감응형 태양 전지에 관한 것이다.
최근, 온실 가스 배출 관련 교토협약으로 인해 에너지 수입 의존도가 높은 나라들은 미래의 에너지와 환경 문제를 극복할 수 있는 신재생 에너지 개발 및 상용화가 절실한 상황이다. 미래 신재생 에너지 중 무한한 태양 빛을 에너지원으로 하는 환경친화적인 태양 전지의 중요성이 부각되고 있다.
현재까지 다양한 종류의 태양 전지가 개발되어 있으며, 이 중 상용화되어 가장 널리 사용되는 것이 실리콘계 태양전지이다. 그러나, 실리콘계 태양 전지는 대형의 고가 제조 장비, 실리콘 원료 가격 및 설치 장소의 한계로 인해 실질적인 대체 에너지원으로 경제성이 미진한 실정이다.
태양 전지의 대규모 상용화를 위해서는, 태양 전지를 고효율화하거나 아니면, 저가화해야 한다. 고효율화는 비록 전지의 가격은 높지만 효율을 크게 높여 발전 단가를 줄이는 방법으로 실리콘과 화합물 반도체를 이용한 태양전지가 이에 해 당된다. 저가화는 비록 효율이 낮더라도 전지의 제조 단가를 낮춰 초기 설치 투자비 부담을 줄이는 방향으로써 광합성 원리를 이용한 염료감응형 태양전지(Dye-sensitized solar cell)와 유기 반도체 태양전지가 있다.
광전기화학형 염료감응형 태양전지는 스위스의 Gratzel 교수가 1991년 비교적 값이 싼 TiO2 반도체 박막에 광감응제로 Ru(Ⅱ) 계열의 착화합물을 흡착시켜 개발하였다. 실리콘을 대체할 태양 전지로써 상용화에 가장 근접한 염료감응형 태양전지는 기존의 태양 전지에 비해 광전효율이 약 10%로 다소 낮은 수준이나, 저가의 제조 설비 및 공정 기술로 인해 발전 단가를 실리콘계의 1/5까지 낮출 수 있고, 유연한(flexible) 기판에 투명 태양 전지로 응용 가능한 장점으로 인해 세계적으로 집중적인 연구가 행해지고 있다.
따라서, 각 국가의 연구소들은 차세대 태양 전지로 각광받고 있는 염료감응형 태양 전지의 재료 및 소자 기술에 대한 다양한 연구를 보다 밀도 있게 진행하고 있다.
이에 본 발명은 상술한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 염료감응형 태양 전지의 활용도를 높일 수 있으며, 그 자재, 설치 공간 및 편의성 등 그 활용이 다양한 염료감응형 태양 전지를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 염료감응형 태양 전지는 하부 기판 및 상부 기판 사이에 개재되는 전해질; 상기 하부 기판의 상부 상에 형성되는 하부 전극; 상기 상부 기판의 하부 상에 각각 형성되는 상부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성되는 상대 전극; 및 상기 상대 전극 상부에 형성되며, 그 표면에 염료 흡착되는 전이 금속을 포함하며, 상기 전이 금속은 니오브(Nb), 크롬(Cr)과/내지 지르코늄(Zr)의 나노 입자를 포함한다.
실시 예에 따라서는, 상기 상/하부 기판은 이산화탄소 고분자, 세라믹, 플라스틱, PPE(poly aryleneethylene), 폴리프로필렌 및 스테인글라스을 사용하여 형성할 수 있다. 바람직하게는, 스테인글라스를 표현일 때를 제외하고 상기 상/하부 기판의 하부 또는 상/하부 표면에 엠보싱으로 장식이 가능하다. 상 또는 하부 기판으로 탄소 나노튜브 강화 플라스틱을 사용할 수 있다. 자동차, 전지 카트, 기차, 자건거, 모터 싸이클, 보트, 요트, 배 내지 비행기의 표면으로 사용할 시 PPE (poly aryleneethylene)를 사용하여, 표면의 보호가 가능하다.
실시 예에 따라서는, 상기 상부 전극은 ITO 필름을 사용하여 형성하며, 상기 상 또는 하부 기판으로 유리를 사용할 수 있다.
실시 예에 따라서는, 상기 전이 금속으로는 지르코늄, 금 및 백금 중 둘 이상의 나노입자들을 혼합하여 사용할 수 있다.
실시 예에 따라서는, 염료를 부착시키기 위해 상대전극 금속 내지 다공성막에 E-Painting, 붓 내지 펜으로 그릴 수 있다.
실시 예에 따라서는, 자개, 조개, 나무, 금속, 합금 금속, 돌, 도자기(세라믹)등이 코팅이 되어 삽입되어 장식이 가능하며, 장식의 양면이 특징으로 한다.
실시 예에 따라서는, UV 코팅의 상 또는 하부 기판에 탈 부착이 가능하다.
실시 예에 따라서는, 상부 내지 하부 기판에 실크 프린팅, E-Painting 내지 그라비아 인쇄를 장식을 위해 사용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 염료감응형 태양 전지의 활용도를 높일 수 있으며, 그 자재, 설치 공간 및 편의성 등 그 활용이 다양한 염료감응형 태양 전지를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.
본 발명의 실시 예들은 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시 예들은 본 발명을 보다 용이하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 예컨대, 본 명세서에서 어떤 기판 또는 막이 다른 기판 또는 막의 "상부에 형성"라고 기재 된 경우, 상기 기판이 상기 다른 막 또는 기판의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 다른 막이 개재될 수도 있다. 첨부 도면에서, 기판들 및 영역들의 두께 및 크기는 이해의 용이성을 위해 과장된 것일 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부도면에 도시된 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 염료감응형 태양 전지의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료감응형 태양 전지는 하부 기판(190), 상부 기판(110), 상부 전극(120), 하부 전극(130), 전해질, 전이 금속(140), 상대 전극(160), 염료(170), 엠보싱(150) 및 실링 및 패키징(180)을 포함한다.
상기 전해질은 상기 하부 기판(190) 및 상기 상부 기판(110) 사이에 개재된다. 상기 전해질은 바람직하게는 용액 형태일 수 있다. 상기 전해질 용액은 태양 광 흡수에 의해 산화된 상기 염료(170)에 전자를 공급하여 산화된 염료를 환원시킨다. 상기 전해질 용액은 염화나트륨, 황산, 염산, 수산화나트륨, 또는 질산나트륨일 수 있다.
상기 하부 전극(130)은 상기 하부 기판(190) 상에 형성되며, 상기 상부 전극(120)은 상기 상부 기판(110)의 하부 상에 형성된다. 바람직하게는 상기 상부 기판(110)은 태양 광을 투과할 수 있도록 투명하다.
상기 상대 전극(160)은 상기 하부 전극(160) 상에 형성되어, 상기 전해질 용액을 통해 환원용 전자를 상기 염료(170)에 제공한다.
상기 전이 금속(140)은 상기 상대 전극(160) 상부에 형성되며, 그 표면에 염료가 흡착된다. 상기 전이 금속(140)는 본 발명에 따라, 니오브(Nb), 크롬(Cr) 과 /또는 지르코늄(Zr)의 나노 입자가 이용된다. 실시 예에 따라서는, 상기 상대 전극 금속(160)으로는 백금, 팔라듐, 금 및 은 중 하나 내지 둘 이상의 나노입자들의 혼합으로 형성될 수 있다.
실시 예에 따라서는, 상기 상대 전극 금속 (160)과 전이 금속(140)은 금(Au)/은(Ag)과 탄탈륨(Ta)/티타늄(Ti)/지르코늄(Zr)과 니오브 합금을 사용할 수 있다.
또한 실시 예에 따라서는, 상기 상대 전극 금속 (160)과 전이 금속(140)은 철(Fe)/아연(Zn)과 지르코늄/지르코늄과 니오브 합금을 사용할 수 있다.
실시 예에 따라서는, 상기 상대 전극 금속 (160)과 전이 금속(140)은 백금(Pt)/팔라듐(Pd)과 크롬(Cr)/지르코늄(Zr)의 합금을 사용할 수 있다.
실시 예에 따라서는, 상기 상대 전극 금속 (160)과 전이 금속(140)은 백금(Pt)/로듐(Rd)과 지르코늄 (Zr)/티타늄(Ti)의 합금을 사용할 수 있다.
실시 예에 따라서는, 상기 상대 전극 금속 (160)과 전이 금속(140)은 코발트(Co)/금(Au)/은(Ag)의 합금과 크롬(Cr)/지르코늄(Zr)/티타늄(Ti)을 사용할 수 있다.
실시 예에 따라서는, 상기 상대 전극 금속 (160)과 전이 금속(140)은 아연(Zn)과 크롬(Cr)과 크롬의 합금을 사용할 수 있다.
실시 예에 따라서는, 상기 상대 전극 금속 (160)과 전이 금속(140)은 코발트 /금/은/백금/팔라듐/니켈/구리/아연/철의 합금과 이트륨(Y)을 사용할 수 있다.
실시 예에 따라서는, 상기 상대 전극 금속 (160)과 전이 금속(140)은 이리듐(Ir)과 지르코늄/니오브/크롬의 합금을 사용할 수 있다.
실시 예에 따라서는, 상기 상대 전극 금속 (160)과 전이 금속(140)은 아연/코발트와 크롬/지르코늄/티타늄의 합금을 사용할 수 있다.
실시 예에 따라서는, 상기 상대 전극 금속 (160)과 전이 금속(140)은 골드/코발트와 지르코늄/지르코늄과 니오브 합금/탄탈륨의 합금을 사용할 수 있다.
실시 예에 따라서는, 상기 전이 금속(140)은 은/코발트와 크롬/지르코늄/지르코늄과 니오브(Nb)의 합금을 사용할 수 있다.
실시 예에 따라서는, 상기 상(110) 과/또는 하부 기판(190)은 이산화탄소 고분자를 포함한다. 또한, 실시 예에 따라서는, 상기 하부 기판(190)은 세라믹을 사용하여 형성한다. 또한, 다른 실시 예에서, 상기 상(110) 과/또는 하부 기판(190)으로는 플라스틱이 사용될 수 있다. 다른 실시 예에서, 상기 상(110) 과/또는 하부 기판(190)은 폴리프로필렌이 사용될 수 있다.
또한, 실시 예에 따라서는, 상기 상(110) 과/또는 하부 기판(190)의 하부 또는 상부 표면에 엠보싱(150)이 형성될 수 있으며, 상기 상부 전극(120)은 ITO 필름으로 형성할 수 있으며, 상기 상(110) 내지 하부 기판(190)은 유리를 사용하여 형성할 수 있다.
상부 전극(120)으로 단일벽 탄소 나노 튜브 필름을 사용하는 것을 더 포함하는 구성을 가질 수 있다.
상부 기판(110) 과/내지 하부 기판(190)으로 탄소나노튜브 강화 플라스틱을 사용하여 자동차, 전기 카트, 자전거, 모터사이클, 기차, 요트, 보트, 배 내지 비행기에 적용할 수 있으며, 표면 처리에 PPE (poly aryleneethylene)를 더 포함하는 구성을 가질 수 있다. 가전 제품 내지 전자 제품의 표면 대입하여 활용될 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 선 이나 면으로 형태를 이룬 상대 전극 금속(200)위나 장식(210) 위에 백금, 팔라듐, 금 내지 은의 나노(220)를 포함하여 전기 발생률을 높이는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 금속, 합금 금속, 자개, 나무, 조개, 돌, 세라믹 내지 유리 장식을 삽입시킬 수 있으며, 그 장식이 양면(320)인 것을 특징으로 한다.
도 6에 도시한 바와 같이, 상대 전극 금속이나 상/하부 기판의 내외부에 엠보싱 장식을 가질 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 스테인 글라스 효과로 장식할 수 있다.
도 8에 도시한 바와 같이, 상부 내지 하부 기판에 실크 프린팅 내지 그라비아 인쇄를 장식을 위해 사용할 수 있다.
염료 부착을 위해 다공성 막(필름)이나 상대 전극 금속에 E-Painting, 붓 내지 펜으로 그려서 부착할 수 있다.
또한 하부 기판에 E-Painting으로 장식이 가능하다.
상부 내지 하부 기판에 UV 코팅이 되거나 UV 코팅이된 코팅지를 탈부착하는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 염료감응형 태양 전지의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전이 금속의 라인 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전이 금속의 면 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전이 금속에 장식을 위한 금속, 합금 금속, 자개, 나무, 돌, 조개, 유리등을 부착시키고 플라즈마 공법으로 나노 염료를 증착 설명을 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전이 금속 및 전이 금속에 포함된 장식이 양쪽으로 보이기 위해 양면을 가짐을 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전이 금속 내지 상/하부기판의 장식을 위한 엠보싱을 설명하기 위한 도면이다.
도 7는 본 발명의 일 실시 예에 따른 상/하부 기판 장식을 위한 스테인글라스를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 상/하부 기판 장식을 위한 그라비아 인쇄를 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 상부 기판 120: 상부 전극
130: 하부 전극 140: 전이 금속
150: 엠보싱 160: 상대 전극
170: 염료 180: 실링 및 패키징
190: 하부 기판 200: 상대 전극 금속
210: 장식 220: 상대 전극 금속 나노
300: 하부 기판 내지 상대 전극 금속 320: 양면 장식
Claims (22)
- 하부 기판 및 상부 기판 사이에 개재되는 전해질;상기 하부 기판의 상부 상에 형성되는 하부 전극;상기 상부 기판의 하부 상에 각각 형성되는 상부 전극;상기 하부 전극 상에 형성되는 상대 전극; 및상기 상부 전극에 형성되기 위해서, 그 다공성 박막의 표면에 염료 및 전이 금속 니오브(Nb), 크롬(Cr) 와/또는 지르코늄(Zr)의 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양 전지.
- 청구항 1에 있어서,상부 전극은 ITO 필름을 더 포함하는 염료감응형 태양 전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 상대 전극 금속에 금, 팔라듐, 백금 또는 은의 나노입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양 전지.
- 염료감응 태양 전지에 있어서,하부 와/또는 상부 기판은 세라믹을 포함하는 염료감응형 태양 전지.
- 염료감응 태양 전지에 있어서,하부 와/또는 상부 기판은 PPE (poly aryleneethylene)를 포함하는 염료감응형 태양 전지.
- 염료감응 태양 전지에 있어서,하부 와/또는 상부 기판은 폴리프로필렌 과/ 또는 플라스틱을 포함하는 염료감응 태양 전지.
- 염료감응 태양 전지에 있어서,하부 와/또는 상부 기판의 하부 또는 상부 내지 상대 전극 금속 표면에 장식을 위해 엠보싱을 하는 염료감응 태양 전지.
- 염료감응 태양 전지에 있어서,상부 내지 하부 기판 중 어느 하나가 유리를 포함하는 염료감응형 태양 전지.
- 염료감응 태양 전지에 있어서,하부 와/또는 상부 기판이 탄소나노튜브 강화 플라스틱임을 포함하는 염료감응 태양 전지.
- 청구항 9에 있어서,자동차, 전기 카트, 모터사이클, 요트, 자전거, 기차, 배, 보트 내지 비행기에 대입이 되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양 전지.
- 청구항 10에 있어서,단일벽 탄소나노튜브를 전극으로 사용하고, 상 과/내지 하부 기판을 PPE 플라스틱인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양 전지.
- 염료감응 태양 전지에 있어서,하부 와/또는 상부 기판은 이산화탄소 고분자를 포함하는 염료감응 태양 전지.
- 염료감응 태양 전지에 있어서,상부 전극으로 단일벽 탄소 나노 튜브 필름을 사용하는 것을 포함하는 염료감응 태양 전지.
- 염료감응 태양 전지에 있어서,가전제품, 전자 제품의 표면에 사용하는 것을 포함하는 염료감응 태양 전지.
- 염료감응 태양 전지에 있어서,상부 와/또는 하부 기판에 장식을 위해 실크 스크린, E-Painting, 스핀코팅 내지 그라비아 인쇄를 하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양 전지.
- 염료감응 태양 전지에 있어서,상부 와/또는 하부 기판에 UV 코팅을 하는 것 내지 UV 코팅이 된 코팅지를 탈부착하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양 전지.
- 염료감응 태양 전지에 있어서,상대 전극 금속이 선 과/또는 면 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양 전지.
- 염료감응 태양 전지에 있어서,자개, 나무, 조개, 돌, 세라믹 내지 유리 장식이 포함이 되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양 전지.
- 청구항 18에 있어서,장식에 코팅이 되어 포함이 되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양 전지.
- 염료감응 태양 전지에 있어서,상대 전극 금속이 금속 내지 합금 금속이 포함되는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지.
- 염료감응 태양 전지에 있어서,금속, 합금 금속,자개, 나무, 조개, 돌, 세라믹 내지 유리 장식이 양면인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양 전지.
- 염료감응 태양 전지에 있어서,상대 전이 금속 내지 다공성 막에 E-Painting, 붓 또는 펜으로 무늬를 그려 염료를 고착시키는 방법을 특징으로 하는 염료감응 태양 전지.
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