KR20110131442A - 염료감응 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광전변환 효율이 향상될 수 있는 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 서로 대향하는 제1 기판과 제2 기판; 상기 제1 기판과 제2 기판 사이의 광전영역을 밀봉하는 제1 실링층; 상기 제1 기판 상의 상기 광전영역 안에 형성되고, 상기 제1 기판을 통해 투과되어 상기 광전영역에 입사된 광에 반응하여 여기된 전자를 생성하는 염료활성층; 상기 염료활성층 상의 상기 광전영역 안에 형성되고, 상기 제1 기판을 통해 투과되어 상기 광전영역에 입사된 광의 경로를 증가시키는 산란층; 상기 광전영역 내에 주입되어 산화-환원 이온 종을 포함하는 전해질로 형성되는 전해질층; 및 상기 제2 기판을 사이에 두고, 상기 광전영역에 대향하여 배치되고, 상기 광전영역과 제2 전극을 통과한 광을 상기 광전영역 측으로 반사하는 반사층을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 특히 광전변환 효율이 향상될 수 있는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
최근들어, 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료는 고가로 치솟는 추세이고, 이산화탄소 배출로 인한 지구온난화의 주범으로 지목되고 있다. 이러한 이유로, 화석연료를 대체하기 위하여, 풍력에너지, 태양에너지와 같은 친환경 재생에너지 개발을 위한 관심과 노력이 지속되고 있다. 태양에너지는 태양열에 의해 발생된 증기를 이용하여 터빈을 회전시키는 태양열 전지와, 태양광에 의해 발생된 광전효과(Photoelectric effect)를 이용하여 광에너지를 전기에너지로 변환하는 태양광 전지(이하, "태양전지"로 지칭함)로 구분될 수 있다. 이때, 광전효과란, 물질 내의 전자가 광에너지에 의해 들뜬 상태가 되어, 전자-정공쌍(electron hole pairs)이 발생되고, 전자와 정공이 내부 전기장에 의해 각자 반대방향으로 이동함으로써, 광기전력이 발생되는 현상을 의미한다.
이러한 태양전지는 광에너지를 전기에너지로 변환하는 광전층을 형성하는 물질에 따라, 실리콘 태양전지, CdTe 태양전지(CdTe: Cadmium Telluride, 카드뮴, 텔루라이드 화합물), CIGS/CIS 태양전지(CIGS: Copper-Indium-Gallum-Selenide, 구리-인듐-갈륨-셀레늄 화합물, CIS: Copper-Indium-Selenide), 염료감응 태양전지로 구분된다. 이 중 실리콘 태양전지는 비정질 실리콘(Amorphous Silicon)으로 광전층을 형성한 것으로, 용이하게 취득될 수 있고 인체유해성이 없는 실리콘을 기반으로 하고 있어, 차세대 태양전지로 각광받고 있다. CIGS/CIS 태양전지는 구리, 인듐, (갈륨), 셀레늄 화합물로 광전층을 형성한 것으로, 최근 공급 부족에 따라 가격이 급등한 인듐을 포함하고 있어 생산원가에 의해 수율이 감소되는 문제점이 있다. CdTe 태양전지는 카드뮴, 텔루라이드 화합물로 광전층을 형성한 것으로, 희소 원료이면서 공해를 유발하는 카드뮴을 포함하고 있어 대량생산에 용이하지 않고 공해성을 갖는 문제점이 있다. 마지막으로, 염료감응 태양전지는 나노스케일의 입자 표면에 결합된 염료(DYE) 및 전해질(electrolyte)을 이용하여 광전층을 형성한 것이다.
염료감응 태양전지는 1991년 스위스 국립 로잔 고등기술원의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 처음 개발되었다. 염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지에 비교하여 용이하게 취득될 수 있고 원가의 재료가 낮은 물질로 이루어져서 제조원가가 낮고, 유연한 형태를 가질 수 있는 장점이 있다. 그러나, 염료감응 태양전지는, 염료 및 전해질 사이를 이동하는 전자의 이동속도가 각각 상이하여, 광에너지에 의해 여기된 전자가 이동에 의해 많은 양이 불필요하게 소모되는 점과, 입사된 광에너지 중 많은 양의 광에너지가 흡수되지 못하고 투과되는 점에 의해, 실리콘 태양전지보다 낮은 광전변환 효율을 갖는 단점이 있다. 이에 따라, 염료감응 태양전지의 광전변환 효율을 향상시키기 위한 방안이 다각도로 연구되고 있다.
본 발명은, 광전층을 투과한 광을 다시 광전층으로 반사시켜서, 광전변환 효율이 향상될 수 있는 염료감응 태양전지를 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 서로 대향하는 제1 기판과 제2 기판; 상기 제1 기판과 제2 기판 사이의 광전영역을 밀봉하는 제1 실링층; 상기 제1 기판 상의 상기 광전영역 안에 형성되고, 상기 제1 기판을 통해 투과되어 상기 광전영역에 입사된 광에 반응하여 여기된 전자를 생성하는 염료활성층; 상기 염료활성층 상의 상기 광전영역 안에 형성되고, 상기 제1 기판을 통해 투과되어 상기 광전영역에 입사된 광의 경로를 증가시키는 산란층; 상기 광전영역 내에 주입되어 산화-환원 이온 종을 포함하는 전해질로 형성되는 전해질층; 및 상기 제2 기판을 사이에 두고, 상기 광전영역에 대향하여 배치되고, 상기 광전영역과 제2 전극을 통과한 광을 상기 광전영역 측으로 반사하는 반사층을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
본 발명에 따르면, 제1 기판을 통해 투과되어 광전영역을 거쳐서 제2 기판을 투과한 광을 광전영역 측으로 반사하는 반사층을 포함하여, 광전영역이 다시 한번 광을 흡수할 기회를 갖게 되므로, 광전영역의 광 흡수율이 향상될 수 있고, 이에, 광전변환 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 염료감응 태양전지의 동작 원리를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시한 염료감응 태양전지에서 반사층에 의해 광전층의 광 흡수 기회가 높아지는 원리를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 도시한 염료감응 태양전지의 제1 예와 제2 예 및 종래의 염료감응 태양전지 각각의 전기적특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 염료감응 태양전지에서 제2 실링층을 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 염료감응 태양전지의 동작 원리를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시한 염료감응 태양전지에서 반사층에 의해 광전층의 광 흡수 기회가 높아지는 원리를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 도시한 염료감응 태양전지의 제1 예와 제2 예 및 종래의 염료감응 태양전지 각각의 전기적특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 염료감응 태양전지에서 제2 실링층을 나타낸 평면도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지에 대해 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 1 내지 도 4를 참고하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 염료감응 태양전지에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 나타낸 단면도이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시한 염료감응 태양전지의 동작 원리를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1에 도시한 염료감응 태양전지에서 반사층에 의해 광전층의 광 흡수 기회가 높아지는 원리를 나타낸 도면이다. 또한, 도 4는 도 1에 도시한 염료감응 태양전지의 제1 예와 제2 예 및 종래의 염료감응 태양전지 각각의 전기적특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 서로 대향하는 애노드(anode)기판(110)과 캐소드(cathod)기판(120), 애노드기판(110)과 캐소드기판(120) 사이에 형성되는 광전영역(130), 애노드기판(110)과 캐소드기판(120) 사이의 광전영역(130)을 밀봉하는 제1 실링층(140) 및 캐소드기판(120)을 사이에 두고 광전영역(130)에 대향하여 배치되는 반사층(170)을 포함하여 이루어진다.
애노드기판(110)은 외부로부터 입사된 광(이하, "외부광"으로 지칭함)을 투과하고, 광에너지에 의해 여기된 전자를 외부 로드로 인가하는 제1 전극(111, 이하, "애노드전극"으로 지칭함)을 포함한다. 그리고, 애노드기판(110)은, 애노드전극(111)이 그 자체만으로 형태유지에 충분한 정도의 강성 및 내열성을 갖지 못하는 경우, 투과성과 절연성을 갖는 물질로 형성되는 제1 지지기판(112)을 더 포함하고, 애노드전극(111)은 제1 지지기판(112)의 일면에 코팅되어 형성된다. 여기서, 애노드전극(111)은, 외부광이 저손실로 투과되어 광전영역 측에 입사될 수 있도록 투과성을 갖고, 광에너지에 의해 여기된 전자가 소정 시간 이상 유지될 수 있고 여기된 전자가 인가될 수 있도록 도전성을 가지며, 전자의 소실을 최소화하도록 낮은 저항을 갖고, 광전영역(130) 내에 형성되는 나노입자(131a, 차후에 설명함)가 용이하게 접착될 수 있도록 적절한 헤이즈(haze)를 포함하며, 전해질층(133, 차후에 설명함)의 전해질에 의한 산화가 방지될 수 있도록 내산성을 갖는 물질로 형성된다.
캐소드기판(120)은 외부 로드로부터 전자를 인가받아 광전영역(130)으로 인가하는 제2 전극(121, 이하, "캐소드전극"으로 지칭함) 및 외부 로드로부터 인가된 전자에 의한 산화-환원 반응의 반응속도를 높이는 가속층(122)을 포함한다. 그리고, 캐소드기판(120)은 캐소드전극(121)이 그 자체만으로 형태유지에 충분한 정도의 강성 및 내열성을 갖지 못하는 경우에 투과성과 절연성을 갖는 물질로 형성되는 제2 지지기판(123)을 더 포함하고, 캐소드전극(121) 및 가속층(122)은 제2 지지기판(123)의 일면에 순차적으로 코팅되어 형성된다. 여기서, 가속층(122)은, 백금(Pt)과 같이, 전해질로 인한 부식이 방지되도록 강한 내산성을 갖는 산화-환원반응 촉매(catalyst)로 형성된다. 그리고, 캐소드전극(121)은 외부 로드로부터 인가된 전자를 광전영역(130)으로 인가하고 외부로부터 인가된 전자가 소정 시간 이상 유지될 수 있도록 도전성을 갖고, 전자의 소실을 최소화하도록 낮은 저항을 가지며, 전해질에 의한 산화가 방지될 수 있도록 내산성을 갖는 물질로 형성된다.
예를 들어, 애노드전극(111)과 캐소드전극(121)은, 불소(F: Fluorine)가 도핑된 주석산화물(SnO2)(F-doped SnO2: FTO), 주석(Tin, Sn)이 도핑된 인듐산화물(In2O3)(ITO) 및 아연산화물(ZnO) 중 하나로 각각 형성될 수 있다.
광전영역(130)은 애노드기판(110)에서부터 순차적으로 형성되는 염료활성층(131), 산란층(132) 및 전해질층(133)을 포함한다.
구체적으로, 염료활성층(131)은 애노드기판(110) 상의 광전영역(130) 안에 형성되고, 나노스케일(nano scale)의 산화물로 형성되는 나노입자(131a) 및 나노입자(131a)의 표면에 흡착되는 염료(131b, DYE)를 포함한다. 즉, 염료활성층(131b)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 염료(131b)가 흡착된 나노입자(131a)가 애노드기판(110) 상에 나란히 적층되는 형태로 형성된다.
나노입자(131a)는 밴드갭(band-gap)에너지가 크고 나노스케일의 산화물로 형성된다. 이때, 나노입자(131a)는 주로 실리콘산화물(SiO2) 또는 주석산화물(SnO2) 또는 카본블랙(carbon black)보다 도전성이 더 높고, 전자의 유지시간이 더 긴 장점이 있는 것으로 알려져 있는 티타늄산화물(TiO2)로 형성된다. 또한, 나노입자(131a)는 10 내지 20nm의 직경으로 형성된다. 이는, 나노입자(131a)가 20nm 초과의 직경을 갖는 경우, 나노입자(131a)의 염료흡착량이 감소되어, 여기가능한 전자의 개수가 감소되는 단점이 있고, 이와 반대로, 나노입자(131a)가 15nm 미만의 직경을 갖는 경우, 나노입자(131a)의 염료흡착량이 증가하여, 여기가능한 전자의 개수는 증가되지만, 표면상태 수가 증가하여 여기된 전자(electron)가 홀(hole)에 재결합될 수 있는 기회가 증가하는 단점이 있어, 두 경우 모두 광전변환 효율이 감소되기 때문이다. 이 뿐만 아니라, 나노입자(131a)는 여기된 전자가 애노드전극(111)으로 이동되는 경로를 제공하고, 나노입자(131a)의 크기에 따라 전자를 제공하는 염료 흡착율이 달라지므로, 나노입자(131a)의 형태, 배치 및 크기 등은 광전변환 효율에 영향을 미치는 변수가 된다.
염료(131b)는 가시광선 영역의 광에 반응하여 여기된 전자를 생성하고, 나노입자(131a)와 화학적으로 견고하게 결합될 수 있으며, 열적 및 광학적으로 안정적인 물질로 형성된다. 즉, 염료(131b)는 비교적 작은 밴드갭 에너지를 갖는 물질로 이루어져서, 염료(131b) 자체의 밴드갭 에너지(Eg)를 극복할 수 있을 정도의 광에너지를 흡수하면, 가전자대(valence band)의 전자를 여기상태로 전환하고, 여기된 전자를 전자 전도대(conduction band)로 천이한다. 이때, 여기된 전자는 나노입자(131a)의 표면을 따라 애노드기판(110) 측으로 이동된다. 이러한 염료(131b)는 루테늄계 유기금속화합물, 유기화합물, InP(Indium Phospide, 인듐인), CdSe(Cadmium selenide, 셀레늄화카드뮴) 중 하나로 형성되고, 주로 루테늄계 유기금속화합물(N719)로 형성된다.
산란층(132)은 염료활성층(131) 상의 광전영역(130) 안에 나노입자(131a)보다 큰 크기를 갖는 산란입자(132a)가 나란히 적층되는 형태로 형성되어, 애노드기판(110)을 통해 투과되어 광전영역(130)에 입사된 외부광을 산란하여, 외부광의 광경로를 증가시키고, 염료활성층(131) 측으로 외부광을 반사한다.
이러한 염료활성층(131)과 산란층(132)은, 애노드기판(110) 상에 광전영역(130)에 대응하여 나노입자(131a)와 산란입자(132a)를 순차적으로 적층한 상태에서, 염료(131b) 용액에 담가 나노입자(131a)에 염료(131b)를 흡착시킨 뒤, 건조시키는 공정을 통해 형성될 수 있다.
전해질층(133)은 산화-환원 이온 종을 포함하는 전해질이 광전영역(130)에 주입되어 형성된다. 여기서, 전해질은 매질을 포함하는 요오드계 산화-환원 종으로 구성되고, 매질은 아세토나이트릴(acetonitrile, CH3CN)과 같은 액체 또는 PVdF(Polyvinylidene fluoride, 폴리플루오린화비닐리덴)와 같은 고분자로 적용될 수 있다. 이러한 전해질층(133)은 산화-환원 이온 종을 포함하고 있어, 캐소드기판(120)을 통해 외부 로드로부터 인가된 전자에 반응하여 산화-환원 반응을 일으킨다.
광전영역(130)이 광에너지를 전기에너지로 변환하는 원리를 설명하면 다음과 같다. 도 2에 도시된 바와 같이, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120) 및 외부 로드(300, Load)가 폐회로를 형성하도록 구성한 상태에서, 외부광이 광전영역(130)에 입사되면, 염료활성층(131)의 염료(131b)는 외부광으로부터 밴드갭에너지 이상의 광에너지를 흡수하여 여기된 전자를 생성한다. 여기된 전자는 애노드기판(110) 측으로 이동하고, 폐회로에 의해 캐소드기판(120)측으로 이동된다. 캐소드기판(120)에 인가된 전자는 전해질층(133)의 전해질을 산화시켜 전자를 발생시키고, 이때의 전자는 염료(131b) 측으로 이동하면서, 염료(131b)의 홀과 결합한다. 이와 같이, 염료감응 태양전지는 광에너지에 의해 여기된 전자가 광전영역(130) 및 외부로드와 연결되는 폐회로를 통해 이동하면서, 전류를 형성하므로, 광에너지를 전기에너지로 변환한다.
다시 도 1을 이어서 설명하면, 제1 실링층(140)은 애노드기판(110)과 캐소드기판(120) 사이에, 광전영역(130)의 외곽과 대응하여 형성되어, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)을 합착한다. 이때, 제1 실링층(140)은 필름형태로 이루어진 설린(Surlyn)으로 형성되어, 광전영역(130)이 발생될 수 있도록, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120) 사이의 소정 간격을 유지하는 스페이서의 역할도 갖는다.
한편, 전해질층(133)은 밀봉된 애노드기판(110)과 캐소드기판(120) 사이의 광전영역(130)에 전해질이 주입됨으로써 형성된다. 이때, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지는, 밀봉된 광전영역(130) 안에 전해질을 주입하기 위하여, 캐소드기판(120)의 일부 영역을 관통하는 주입홀(150)과, 주입홀(150)을 통해 광전영역(130) 안에 주입된 전해질의 누수를 방지하는 제2 실링층(160)을 더 포함한다.
즉, 주입홀(150)은 전해질을 광전영역(130)에 주입하기 위하여, 캐소드기판(120)의 일부 영역을 관통하는 홀이다. 그리고, 제2 실링층(160)은, 광전영역(130)에 전해질이 모두 주입된 후, 캐소드기판(120) 상에 주입홀(150)을 가로막도록 형성되어 전해질의 누수를 방지한다. 즉, 전해질층(133)의 전해질은 캐소드기판(120)의 일부를 관통하여 형성되는 주입홀(150)을 통해 외부로부터 광전영역(130) 내부로 주입되고, 제2 실링층(160)에 의해 누수가 방지된다.
반사층(170)은 캐소드기판(120)을 사이에 두고 광전영역(130)과 대향하여 배치된다. 즉, 반사층(170)은 광전영역(130)이 형성되는 면에 반대되는 캐소드기판(120)의 배면에 위치한다. 반사층(170)은, 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)과 같이 반사성을 갖는 금속으로 형성되거나, 또는 주석산화물(SnO2)과 같이 반사성과 내산성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 이때, 내산성을 갖는 물질로 반사층(170)을 형성하면, 주입홀(150) 및 제2 실링층(160)을 통해 전해질이 누수되었을 경우, 반사층(170)이 전해질에 의해 부식되는 것이 방지될 수 있다.
그리고, 반사층(170)은 박막 형태로 형성되어, 캐소드기판(120)의 하부에 배치된다. 예를 들어, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)을 합착하고, 그 사이에 광전영역(130)을 형성한 합착물을 먼저 준비하고, 염료감응 태양전지(100)를 지지하게 될 지지물(200) 위에 반사층(170)을 배치한 후, 캐소드기판(120)과 반사층(170)이 서로 마주보도록 하여, 미리 준비한 합착물을 반사층(170) 위에 올림으로써 지지물(200) 위에 염료감응 태양전지(100)를 형성할 수 있다. 이때, 캐소드기판(120)과 반사층(170)은 밀착되도록 배치될 수 있고, 또는, 3cm 이하의 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 만약, 캐소드기판(120)과 반사층(170)이 3cm를 초과하는 간격으로 이격되면, 캐소드기판(120)을 투과한 광이 반사층(170)에 의해 반사되기 전에 소실되거나, 캐소드기판(120) 측이 아닌 다른 방향으로 반사될 수 있어, 광전변환 효율의 향상에 도움이 되지 않기 때문이다.
아래의 표 1은, 반사층을 포함하지 않는 종래의 염료감응 태양전지(표 1에서 "종래기술"로 나타내고, 이하 "종래기술"로 지칭함)와, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지에 있어서, 각각의 전기적특성을 비교한 것이다. 표 1에서, 제1 예는 반사층(170)이 캐소드기판(120)과 밀착되도록 배치된 경우의 예이고, 제2 예는 반사층(170)이 캐소드기판(120)과 3cm의 간격으로 이격되어 배치된 경우의 예를 의미한다.
| 단위면적당 전류(mA/cm2) | 전압(V) | 광전변환 효율(%) | |
| 종래기술 | 13.54 | 0.694 | 5.8 |
| 제1 예 | 16.98 | 0.714 | 6.72 |
| 제2 예 | 16.92 | 0.706 | 6.68 |
표 1을 참고하면, 종래기술은 제1 예 및 제2 예보다 낮은 단위면적당 전류 및 전압을 나타내고, 이에 따라, 종래기술의 광전변환 효율은 제1 예 또는 제2 예보다 낮게 나타난다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 종래기술은 제1 예 또는 제2 예보다 동일 전압(Voltage, 도 4의 가로축에 해당됨)에 대한 광전류(photocurrent, 도 4의 세로축에 해당됨)가 낮게 나타나는 것을 알 수 있다. 이로부터, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지는, 반사층(170)을 포함함으로써, 광전변환 효율이 향상되는 것을 알 수 있다.
그리고, 표 1을 참고하면, 제2 예는 제1 예보다 낮은 단위면적당 전류 및 전압을 나타내고, 광전변환 효율도 더 낮은 값을 갖는다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 전압에 대한 광전류 측면에서, 제1 예와 제2 예 사이의 차이는 매우 미미하여, 거의 사실상 유사한 특성을 갖는다고도 볼 수 있다. 이러한 점에서, 반사층(170)이 캐소드기판(120)으로부터 3cm 이하로 이격되는 경우에서 반사층(170)에 의한 광전변환 효율의 향상 효과는 반사층(170)이 캐소드기판(120)에 밀착된 경우와 유사하게 발생될 것이라고 예측할 수 있다. 다만, 표 1의 결과로부터, 반사층(170)과 캐소드기판(120) 사이의 이격거리가 멀어질수록, 반사층(170)이 광전변환 효율에 미치는 영향이 작아질 것을 알 수 있으므로, 반사층(170)에 의한 광전변환 효율의 향상 효과가 발생되기 위해서는 반사층(170)과 캐소드기판(120) 사이의 이격거리가 3cm 이하인 것이 바람직하다.
이상과 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 외부로부터 입사되어 광전영역(130)을 거쳐서 캐소드기판(120)을 투과한 광을 광전영역(130) 측으로 반사하는 반사층(170)을 포함함으로써, 광전영역(130)이 다시 한번 광을 흡수할 기회를 가질 수 있어, 광전영역(130)의 광 흡수율이 향상될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광전영역(130)은, 종래기술보다, 더 많은 양의 외부광을 흡수할 수 있어, 광전변환 효율이 향상될 수 있다.
다음, 도 5 및 도 6을 참고하여, 본 발명의 제2 실시예에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 나타낸 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시한 염료감응 태양전지에서 제2 실링층을 나타낸 평면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100')는, 캐소드기판(120)과 반사층(170)이 밀착되고, 그 사이에 배치되는 제3 실링층(180)에 의해 캐소드기판(120)과 반사층(170)이 서로 점착된다는 것을 제외하면, 도 1 내지 도 3에 도시한 제1 실시예와 동일하므로, 이하에서 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100')는, 도 5에 도시된 바와 같이, 서로 대향하는 애노드기판(110)과 캐소드기판(120), 애노드기판(110)과 캐소드기판(120) 사이에 형성되는 광전영역(130), 애노드기판(110)과 캐소드기판(120) 사이의 광전영역(130)을 밀봉하는 제1 실링층(140), 캐소드기판(120)을 사이에 두고 광전영역(130)에 대향하여 배치되는 반사층(170) 및 캐소드기판(120)과 반사층(170) 사이에 형성되어 캐소드기판(120)과 반사층(170)을 점착하는 제3 실링층(180)을 포함하여 이루어진다.
애노드기판(110)은 외부광을 투과하고, 광에너지에 의해 여기된 전자를 외부 로드로 인가하는 애노드전극(111)을 포함한다. 그리고, 애노드기판(110)은 애노드전극(111)의 강성 및 내열성 강화가 필요한 경우, 제1 지지기판(112)을 더 포함하는데, 이때, 애노드전극(111)은 제1 지지기판(112)의 일면 위에 코팅되어 형성된다. 또한, 애노드전극(111)은 투과성, 도전성, 낮은 저항, 적절한 헤이즈 및 내산성을 갖는 물질로 이루어지는데, 그 예로는 FTO, ITO, ZnO 등이 있다.
캐소드기판(120)은 외부 로드로부터 전자를 인가받는 캐소드전극(121) 및 외부 로드로부터 인가된 전자에 의한 산화-환원 반응의 반응속도를 높이는 가속층(122)을 포함한다. 그리고, 캐소드기판(120)은 캐소드전극(121)의 강성 및 내열성 강화가 필요한 경우, 제2 지지기판(123)을 더 포함하는데, 이때, 캐소드전극(121) 및 가속층(122)는 제2 지지기판(123)의 일면 위에 순차적으로 코팅되어 형성된다. 가속층(122)은 백금(Pt)와 같이, 내산성을 갖는 산화-환원 촉매로 형성되고, 캐소드전극(121)은 FTO, ITO, ZnO 등과 같이, 도전성, 낮은 저항 및 내산성을 갖는 물질로 이루어진다.
광전영역(130)은 염료활성층(131), 산란층(132) 및 전해질층(133)을 포함한다.
염료활성층(131)은, 애노드기판(110) 상의 광전영역(130) 안에, 표면에 염료(131b)가 흡착된 나노입자(131a)들이 나란히 적층되는 형태로 형성된다. 이러한 염료활성층(131)은 외부광으로부터 염료(131b)의 에너지 밴드갭(Eg)이상의 광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 생성하고, 생성한 여기된 전자를 애노드기판(110)으로 인가한다.
산란층(132)은 염료활성층(131) 상의 광전영역(130) 안에, 나노입자(131a)보다 큰 크기를 갖는 산란입자(132a)가 나란히 적층되는 형태로 형성되어, 애노드기판(110)을 통해 투과되어 광전영역(130)에 입사된 외부광을 산란한다.
전해질층(133)은 산화-환원 이온 종을 포함하는 전해질이 광전영역(130)에 주입되어 형성된다. 이러한 전해질층(133)은 산화-환원 이온 종을 포함하고 있어, 캐소드기판(120)을 통해 외부로드에서 인가되는 전자에 반응하여 산화-환원 반응을 일으킨다.
제1 실링층(140)은 애노드기판(110)과 캐소드기판(120) 사이에 광전영역(130)의 외곽과 대응하여 형성되어, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)를 합착한다.
그리고, 주입홀(150)은 캐소드기판(120)의 일부를 관통하도록 형성되어, 밀봉된 광전영역(130) 내에 전해질이 주입되는 통로로 이용되고, 제2 실링층(160)은 캐소드기판(120)의 일부 상에 주입홀(150)을 가로막도록 형성되어, 주입홀(150)을 통해 주입된 전해질의 누수를 방지한다.
반사층(170)은 캐소드기판(120)의 배면에 밀착되어 배치되고, 반사성을 갖는 물질이 박막 형태로 형성된다. 이때, 반사층(170)과 캐소드기판(120) 사이에, 제1 실링층(140) 및 제2 실링층(160)과 대응하도록 형성되어, 반사층(170)과 캐소드기판(120)을 점착한다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 제3 실링층(180)은, 반사층(170)과 밀착되는 캐소드기판(120)의 배면 중 광전영역(130)의 외곽에 해당되어 제1 실링층(140)에 대응하는 부분과 주입홀(150)을 가로막는 제2 실링층(160)에 대응하는 부분에 형성된다. 이와 같이 하면, 반사층(170)에 의해 반사된 광이 캐소드기판(120)만을 경유하는 경로로 광전영역(130)에 입사될 수 있어, 반사된 광이 제3 실링층(180)에 의해 손실되는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 주입홀(150)이 제2 실링층(160)에 의해 1차적으로 밀봉되고, 제3 실링층(180)에 의해 2차적으로 밀봉되므로, 전해질의 누수 방지를 위한 주입홀(150)의 밀봉이 더욱 견고해질 뿐만 아니라, 전해질이 누수되더라도 반사층(170)이 아닌 제3 실링층(180)과 접촉하게 되므로, 반사층(170)이 전해질에 직접적으로 노출되는 것이 최대한 방지될 수 있어, 반사층(170)의 부식이 방지될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 캐소드기판(120)과 반사층(170) 사이에, 이 둘을 점착하는 제3 실링층(180)을 더 포함함으로써, 주입홀(150)의 밀봉이 더욱 견고해질 수 있고, 반사층(170)이 전해질에 직접적으로 접촉하는 것이 방지되어 반사층(170)의 부식을 방지할 수 있다. 또한, 제3 실링층(180)에 의해 캐소드기판(120)과 반사층(170) 간의 밀착이 고정될 수 있으므로, 소자 간의 특성이 균일해져서, 소자 신뢰도가 향상될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다.
100, 100': 염료감응 태양전지 110: 애노드기판
111: 애노드전극 112: 제1 지지기판
120: 캐소드기판 121: 캐소드전극
122: 가속층 123: 제2 지지기판
130: 광전영역 131: 염료활성층
131a: 나노입자 131b: 염료
132: 산란층 132a: 산란입자
133: 전해질층 140: 제1 실링층
150: 주입홀 160: 제2 실링층
170: 반사층 180: 제3 실링층
200: 지지물 300: 외부 로드
111: 애노드전극 112: 제1 지지기판
120: 캐소드기판 121: 캐소드전극
122: 가속층 123: 제2 지지기판
130: 광전영역 131: 염료활성층
131a: 나노입자 131b: 염료
132: 산란층 132a: 산란입자
133: 전해질층 140: 제1 실링층
150: 주입홀 160: 제2 실링층
170: 반사층 180: 제3 실링층
200: 지지물 300: 외부 로드
Claims (7)
- 서로 대향하는 제1 기판과 제2 기판;
상기 제1 기판과 제2 기판 사이의 광전영역을 밀봉하는 제1 실링층;
상기 제1 기판 상의 상기 광전영역 안에 형성되고, 상기 제1 기판을 통해 투과되어 상기 광전영역에 입사된 광에 반응하여 여기된 전자를 생성하는 염료활성층;
상기 염료활성층 상의 상기 광전영역 안에 형성되고, 상기 제1 기판을 통해 투과되어 상기 광전영역에 입사된 광의 경로를 증가시키는 산란층;
산화-환원 이온 종을 포함하는 전해질이 상기 광전영역 내에 주입되어 형성되는 전해질층; 및
상기 제2 기판을 사이에 두고, 상기 광전영역에 대향하여 배치되고, 상기 광전영역과 제2 전극을 통과한 광을 상기 광전영역 측으로 반사하는 반사층을 포함하는 염료감응 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 기판은, 투과성, 도전성 및 내산성을 갖는 물질로 형성되어 상기 염료활성층에서 생성되는 상기 여기된 전자를 외부로 인가하는 제1 전극을 포함하고,
상기 제2 전극은, 도전성 및 내산성을 갖는 물질로 형성되어, 외부로부터 인가된 전자를 상기 전해질층으로 인가하는 제2 전극을 포함하는 염료감응 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 염료활성층은
나노스케일의 산화물로 형성되는 나노입자; 및
상기 나노입자의 표면에 흡착되어 형성되고, 상기 광에너지에 반응하여 여기된 전자를 생성하는 염료를 포함하는 염료감응 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 전해질층과 상기 제2 기판 사이에, 내산성을 갖는 산화-환원반응촉매로 형성되어, 상기 제2 기판에서 상기 전해질층으로 이동된 전자에 의한 산화-환원반응 속도를 높이는 가속층을 더 포함하는 염료감응 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 반사층과 상기 제2 기판은 3센티미터 이하의 간격으로 이격되는 염료감응 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제2 기판의 일부를 관통하여 형성되고, 상기 광전영역 내에 상기 전해질을 주입하는 통로인 주입홀; 및
상기 주입홀을 가로막는 형태로 형성되어, 상기 주입홀을 통해 주입된 전해질의 누수를 방지하는 제2 실링층을 더 포함하는 염료감응 태양전지. - 제6항에 있어서,
상기 제2 기판과 상기 반사층 사이에, 상기 제1 실링층 및 제2 실링층과 대응하도록 형성되어, 상기 제2 기판과 상기 반사층을 점착하는 제3 실링층을 더 포함하는 염료감응 태양전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100050884A KR20110131442A (ko) | 2010-05-31 | 2010-05-31 | 염료감응 태양전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100050884A KR20110131442A (ko) | 2010-05-31 | 2010-05-31 | 염료감응 태양전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20110131442A true KR20110131442A (ko) | 2011-12-07 |
Family
ID=45499807
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020100050884A KR20110131442A (ko) | 2010-05-31 | 2010-05-31 | 염료감응 태양전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20110131442A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140084426A (ko) * | 2012-12-26 | 2014-07-07 | 엘지디스플레이 주식회사 | 다공성 입자의 광 산란층을 구비한 염료감응 태양전지 |
| KR101539410B1 (ko) * | 2012-11-13 | 2015-07-27 | 재단법인대구경북과학기술원 | 패턴 반사층을 포함하는 태양전지 및 그 제조방법 |
-
2010
- 2010-05-31 KR KR1020100050884A patent/KR20110131442A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101539410B1 (ko) * | 2012-11-13 | 2015-07-27 | 재단법인대구경북과학기술원 | 패턴 반사층을 포함하는 태양전지 및 그 제조방법 |
| KR20140084426A (ko) * | 2012-12-26 | 2014-07-07 | 엘지디스플레이 주식회사 | 다공성 입자의 광 산란층을 구비한 염료감응 태양전지 |
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