KR20110096783A - 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈 - Google Patents

직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 태양광이 투과되는 상부기판 및 이 상부기판과 마주보는 하부기판 사이에, 복수 개의 전지셀들이 직렬형으로 연결되는 염료감응 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 상기 전지셀은, 상부기판 상에 하부기판과 마주보도록 배치되고 태양광이 투과되는 상부전극과, 하부기판 상에 상부전극과 마주보도록 배치되고 구리를 포함하는 소재로 형성된 하부전극과, 상부전극 상에 배치되고 염료가 흡착된 반도체층과, 하부전극 상에 배치되고 관통공이 형성된 절연 재질의 보호층과, 보호층 상에 형성되는 촉매전극과, 관통공의 내부에 충진되어 촉매전극과 하부전극 사이를 통전하는 연결부, 그리고 반도체층과 촉매전극 사이의 공간에 충진된 전해질을 포함하고, 염료감응 태양전지 모듈은, 일 전지셀에 구비된 상부전극과, 상기 일 전지셀과 인접된 전지셀에 구비된 하부전극 사이를 상하로 연결하는 연결전극과, 연결전극의 일면과 타면에 각각 형성되어 상기 일 전지셀과 인접된 전지셀 사이를 절연시키는 실링층들을 더 포함하는 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈을 제공한다.
상기 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈에 따르면, 하부전극을 구리 재질로 사용함에 따라 전기 집전이 우수하고 고전압의 출력이 가능하며, 전해질에 의한 하부전극의 부식 문제를 차단하여 태양전지의 성능(효율, 내구성)을 향상시키며, 제조가 용이하여 양산 수율이 좋은 이점이 있다.

Description

직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈{Z-type dye-sensitized solar cell module}
본 발명은 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상부기판과 하부기판 사이에 복수 개의 전지셀 들이 직렬형으로 연결되어 고전압의 출력이 가능한 Z 타입의 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 소면적의 염료감응 태앙전지(DSSC;dye-sensitized solar cell) 단위셀은 11% 대의 태양전지 변환효율을 나타낸다. 그런데, 이를 대면적의 염료감응 태양전지 모듈로 구성할 경우에는 변환효율이 7% 대로 급감하게 되는 문제점이 따른다.
대면적의 태양전지 셀의 종류로는 직렬접속의 Z형, W형, 모놀리스(Monolith)형, 그리고 병렬접속의 그리드 집전형 등이 제안되고 있다. 그 중에서 샤프(Sharp) 사의 W형 모듈과 소니(Sony) 사의 Z형 모듈은 최고 8.2%의 효율을 나타내는 것으로 알려져 있다.
기존에 Z 타입의 직렬형 염료감응 태양전지 모듈의 경우에는 전기전도성이 우수하지 못한 투명전도체(ex, TCO)를 상대전극으로 사용하고 있어서 필 팩터(Fill factor) 성능과 전기집전 능력이 떨어지고, 상기 태양전지 변환효율이 저하되는 문제가 있다. 또한, 전지셀을 구성하는 상대전극이 전해액에 의해 부식되는 문제가 발생하는 경우에는 발전 유효면적이 손실되고 태양전지 효율이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명은 전기집전 능력을 향상시키고 전극의 부식을 막을 수 있어서 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 태양광이 투과되는 상부기판 및 상기 상부기판과 마주보는 하부기판 사이에, 복수 개의 전지셀들이 직렬형으로 연결되는 염료감응 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 상기 전지셀은, 상기 상부기판 상에 상기 하부기판과 마주보도록 배치되고 상기 태양광이 투과되는 상부전극과, 상기 하부기판 상에 상기 상부전극과 마주보도록 배치되고 구리를 포함하는 소재로 형성된 하부전극과, 상기 상부전극 상에 배치되고 염료가 흡착된 반도체층과, 상기 하부전극 상에 배치되고 관통공이 형성된 절연 재질의 보호층과, 상기 보호층 상에 형성되는 촉매전극과, 상기 관통공의 내부에 충진되어 상기 촉매전극과 상기 하부전극 사이를 통전하는 연결부, 그리고 상기 반도체층과 상기 촉매전극 사이의 공간에 충진된 전해질을 포함하며, 상기 염료감응 태양전지 모듈은, 일 전지셀에 구비된 상기 상부전극과, 상기 일 전지셀과 인접된 전지셀에 구비된 상기 하부전극 사이를 상하로 연결하는 연결전극과, 상기 연결전극의 일면과 타면에 각각 형성되어 상기 일 전지셀과 상기 인접된 전지셀 사이를 절연시키는 실링층들을 더 포함하는 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈을 제공한다.
여기서, 상기 하부전극과 상기 보호층은, 상기 보호층에 대응되는 폴리이미드 필름과 상기 하부전극에 대응되는 동박이 적층된 형태의 연성동박적층필름(Flexible Copper Clad Laminate;FCCL)일 수 있다.
또한, 상기 하부기판은 폴리이미드 재질일 수 있다. 그리고, 상기 관통공의 내부에 충진된 상기 연결부는 상기 촉매전극과 동일 재질을 가질 수 있다. 여기서, 상기 관통공은 에칭 방식으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 상부기판은 유리 소재로 형성되고, 상기 반도체층은 다공성 TiO2 소재로 형성되고, 상기 상부전극은 TCO 소재로 형성되고, 상기 촉매전극은 Pt 소재로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈에 따르면, 하부전극을 구리 재질로 사용함에 따라 전기집전 능력이 우수함은 물론이며 이를 이용한 전지셀 들을 서로 직렬로 연결한 구조를 가짐에 따라 고전압의 출력이 가능한 이점이 있다.
또한, 하부전극 상에 폴리이미드 재질의 보호층을 형성하여, 전해질에 의한 하부전극의 부식 문제를 차단시킴으로써 태양전지의 내구성을 향상시킬 수 있다.
더욱이, 플렉서블(flexible)한 재질의 FCCL 구조를 사용하는 경우, 제조 공정이 용이하여 공정비를 절감할 수 있고 양산 수율을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈(100)은 Z 타입의 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈로서, 보다 상세하게는 태양광이 입사되어 투과되는 상부기판(110) 및 이 상부기판(110)과 마주보는 하부기판(120) 사이에, 복수 개의 전지셀(C) 들이 직렬형으로 연결된 형태를 갖는다. 여기서, 상기 상부기판(110)은 상기 태양광의 투과율이 높아지도록 투명한 소재로 형성된다. 상기 투명한 소재로는 유리 또는 투명한 플라스틱 등을 들 수 있다.
그리고, 상기 전지셀(C)은 상부전극(130), 하부전극(140), 반도체층(150), 보호층(160), 촉매전극(170), 연결부(175), 전해질(180)을 포함하는 구조를 갖는다. 여기서, 상기 상부전극(130)은 상기 상부기판(110) 상에 상기 하부기판(120)과 마주보도록 배치되고 상기 태양광이 투과된다. 이러한 상부전극(130)은 투명한 소재로 형성되는데, 그 예로 TCO(Transparent Conductive Oxide)가 있다.
상기 하부전극(140)은 상기 하부기판(120) 상에 상기 상부전극(130)과 마주보도록 배치되는 부분으로서, 구리(Cu)를 포함하는 소재로 형성된다. 상기 구리는 전기전도성이 우수한 특성을 가짐에 따라, 태양전지의 필 팩터(Fill factor) 성능과 전기집전 특성을 향상시키며, 상기 태양전지 변환효율을 증가시키는 역할을 한다.
상기 반도체층(150)은 상기 상부전극(130) 상에 배치되고 염료가 흡착되어 있다. 상기 반도체층(150)은 다공성 TiO2 소재로 형성된다. 이때, 상기 염료는 반도체층(150) 내부로 침투하여 각각의 TiO2 소재의 표면에 고루 흡착되어 있다.
물론, 상기 반도체층(150)의 소재는 반드시 이에 한정되지 않는다. 상기 염료로는 태양 전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 아무 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 보호층(160)은 절연 재질을 가지며 상기 하부전극(140) 상에 배치되고 관통공(161)이 형성되어 있다. 상기 전해질(180)은 상기 반도체층(150)과 상기 촉매전극(170) 사이의 공간에 충진되어 있다.
상기 보호층(160)은 상기 구리 소재로 된 하부전극(140)을 보호하여, 상기 하부전극(140)이 상기 전해질(180)에 의해 부식되는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다. 즉, 상기 보호층(160)을 사용함에 따라, 전해질(180)에 의한 하부전극(140)의 부식성을 차단하여, 태양전지의 내구성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 보호층(160)을 폴리이미드 필름 재질로 형성하고, 상기 하부전극(140)을 동박 재질로 형성한 경우, 이는 폴리이미드 필름에 동박이 적층된 형태의 연성동박적층필름(Flexible Copper Clad Laminate;FCCL) 형태를 갖게 된다. 이때, 상기 관통공(161)은 회로 기판 제조 방법 중으로 자주 사용되는 에칭 방식으로 형성 가능하다.
이상과 같이, 상기 보호층(160)과 하부전극(140)은 FCCL을 이용하여 구현하는 경우, FCCL의 유연한 특성에 의해 보호층(160)과 하부전극(140)의 제조 공정이 용이할 뿐만 아니라, 에칭 기술을 통해 기판의 구조 즉, 보호층(160)과 하부전극(140)의 크기 및 패턴 등을 용이하게 변화시킬 수 있는 이점이 있다.
그리고, 상기 하부전극(140)의 하측에 있는 하부기판(120) 또한 상기 보호층(160)과 동일한 폴리이미드 재질로 형성이 가능하다. 이러한 경우, 동박으로 형성된 하부전극(140)을 사이에 두고 각각의 폴리이미드 층이 상하로 형성된 형태를 갖게 된다. 이러한 폴리이미드 재질의 하부전극(140) 또한 종래의 기판 제조 공정에 사용되는 다양한 방식을 통해 형태 및 크기 변화가 용이한 이점이 있다.
상기 촉매전극(170)은 보호층(160) 상에 형성되며, Pt(백금) 소재로 형성된다. 상기 연결부(175)는 상기 보호층(150)에 형성된 관통공(161)의 내부에 충진되어서 상기 촉매전극(170)과 상기 하부전극 사이를 통전함에 따라 상기 촉매전극(170)의 전기화학적 촉매 역할이 가능하게 한다. 이러한 연결부(175)가 상기 촉매전극(170)과 동일 재질인 Pt 소재로 형성되는 경우, 상기 촉매 기능이 보다 원활하게 이루어질 수 있다.
이러한 염료감응 태양전지 모듈(100)은, 상기와 같은 구조의 전지셀(C) 들이 상부기판(110)과 하부기판(120) 사이에서 서로 직렬 연결되기 위한 수단으로서, 각 전지셀(C)의 사이마다 연결전극(190) 및 실링층(195) 들을 포함한다.
상기 연결전극(190)은 일 전지셀(C)에 구비된 상기 상부전극(130)과, 상기 일 전지셀(C)과 인접된 전지셀에 구비된 상기 하부전극(140) 사이를 상하로 연결하여, 직렬 형태의 전극 구성을 형성한다. 그리고, 상기 실링층(195) 들은, 상기 연결전극(190)의 일면과 타면에 각각 형성되어 상기 일 전지셀(C)과 상기 인접된 전지셀(C) 사이를 절연시키는 역할을 한다.
상기와 같은 Z 타입의 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈(100)에 따르면, 구리 재질을 포함하는 하부전극(140)을 상대전극으로 사용함에 따라 전기집전 능력이 우수할 뿐만 아니라, 이러한 구리 재질의 하부전극(140)을 이용한 전지셀(C) 들을 서로 직렬로 연결한 구조를 가짐에 따라 고전압의 출력이 가능한 이점이 있다.
또한, 하부전극(140) 상에 폴리이미드 재질의 보호층(160)을 형성함으로써, 전해질에 의한 하부전극(140)의 부식 문제를 차단할 수 있으며, 플렉서블(flexible)한 재질의 FCCL 구조를 사용함에 따라 제조 공정이 용이하고 공정비를 절감할 수 있으며 양산 수율을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.
100: 염료감응 태양전지 모듈 110: 상부기판
120: 하부기판 130: 상부전극
140: 하부전극 150: 반도체층
160: 보호층 161: 관통공
170: 촉매전극 175: 연결부
180: 전해질 190: 연결전극
195: 실링층

Claims (6)

  1. 태양광이 투과되는 상부기판 및 상기 상부기판과 마주보는 하부기판 사이에, 복수 개의 전지셀들이 직렬형으로 연결되는 염료감응 태양전지 모듈에 있어서,
    상기 전지셀은,
    상기 상부기판 상에 상기 하부기판과 마주보도록 배치되고 상기 태양광이 투과되는 상부전극과, 상기 하부기판 상에 상기 상부전극과 마주보도록 배치되고 구리를 포함하는 소재로 형성된 하부전극과, 상기 상부전극 상에 배치되고 염료가 흡착된 반도체층과, 상기 하부전극 상에 배치되고 관통공이 형성된 절연 재질의 보호층과, 상기 보호층 상에 형성되는 촉매전극과, 상기 관통공의 내부에 충진되어 상기 촉매전극과 상기 하부전극 사이를 통전하는 연결부, 그리고 상기 반도체층과 상기 촉매전극 사이의 공간에 충진된 전해질을 포함하고,
    상기 염료감응 태양전지 모듈은,
    일 전지셀에 구비된 상기 상부전극과, 상기 일 전지셀과 인접된 전지셀에 구비된 상기 하부전극 사이를 상하로 연결하는 연결전극과, 상기 연결전극의 일면과 타면에 각각 형성되어 상기 일 전지셀과 상기 인접된 전지셀 사이를 절연시키는 실링층들을 더 포함하는 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 하부전극과 상기 보호층은,
    상기 보호층에 대응되는 폴리이미드 필름과 상기 하부전극에 대응되는 동박이 적층된 형태의 연성동박적층필름(Flexible Copper Clad Laminate;FCCL)인 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 하부기판은 폴리이미드 재질인 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 관통공의 내부에 충진된 상기 연결부는,
    상기 촉매전극과 동일 재질을 갖는 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 관통공은,
    에칭 방식으로 형성된 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부기판은 유리 소재로 형성되고, 상기 반도체층은 다공성 TiO2 소재로 형성되고, 상기 상부전극은 TCO 소재로 형성되고, 상기 촉매전극은 Pt 소재로 형성된 직렬 연결형 염료감응 태양전지 모듈.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101447772B1 (ko) * 2012-03-09 2014-10-07 주식회사 세아엔지니어링 직렬 연결 구조를 갖는 염료감응 태양전지 모듈
KR101530547B1 (ko) * 2015-02-04 2015-06-22 부경대학교 산학협력단 배면집전형 대면적 염료감응형 태양전지 셀

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