KR20110136514A - 염료감응 태양전지 단위셀 및 이를 이용한 염료감응 태양전지모듈의 제작방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단위셀간 연결이 용이하며, 내구성이 우수한 염료감응 태양전지모듈을 제조할 수 있는 염료감응 태양전지 단위셀 및 상기 단위셀을 이용한 염료감응 태양전지모듈의 제작방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 염료감응 태양전지 단위셀은 투명 전도성기판 위에 코팅된 다공성 나노입자 산화물에 감광성 염료분자가 흡착되어 있는 투명전극판, 전도성기판 위에 금속 또는 탄소가 코팅된 대향전극판, 투명전극판과 통전되는 투명전극판 외부전극 및 대향전극판과 통전되는 대향전극판과 외부전극을 포함하여 구성되는 염료감응 태양전지 단위셀에 있어서, 상기 투명전극판과 대향전극판 중 어느 하나를 구성하는 전도성기판의 양말단이 외부로 확장되며, 상기 확장된 양말단에 투명전극판 외부전극과 대향전극판 외부전극이 각각 형성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 단위셀간 연결이 용이하며, 내구성이 우수한 염료감응 태양전지모듈을 제조할 수 있는 염료감응 태양전지 단위셀 및 상기 단위셀을 이용한 염료감응 태양전지모듈의 제작방법에 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 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.
도 1은 종래 기술에 의한 염료감응 태양전지의 단위셀 구조를 보여주는 도면이다. 도 1a을 참조하면, 염료감응 태양전지의 단위셀은 투명 전도성기판(101a) 위에 코팅된 다공성 나노입자 산화물(102)에 감광성 염료분자(103)가 흡착되어 있는 투명전극판과, 전도성기판(101b) 위에 백금과 같은 금속 또는 탄소가 코팅된 대향전극판(104)을 기본으로 한다. 전도성기판(101a, 101b)은 기판 상에 전도성물질이 코팅되어 형성되는 것으로 도면 상에 두 개의 층으로 나타낸 것은 이를 표시하기 위한 것이다. 상기 투명전극판과 대향전극판 사이에는 전해질(105)이 충진되어지는 구조를 가진다. 투명전극판과 대향전극판을 구성하는 전도성기판(101a, 101b)은 어긋난 방향의 일말단이 각각 길게 연장되도록 대향되어 통전회로의 구성을 위해 외부로 노출되어, 각각 투명전극판 외부전극(106a)과 대향전극판 외부전극(106b)을 형성한다. 상기 전극에는 회로형성의 효율성 증대를 위해 추가로 전도성 금속(은, 구리 등)으로 도금층이 형성될 수도 있다. 도 1에서는 도금층의 형성에 의해 전극이 돌출되어 있는 형상으로 나타내었으며, 이하의 도면에서도 동일한 형상으로 도시하였다.
통상 전도성기판의 두께는 수 mm 정도이며, 투명전극판과 대향전극판간의 간격은 수 ㎛로 매우 얇으나, 도 1에서는 설명을 위하여 기판간의 간격이 과장되어 도시되어 있다. 본 발명은 염료감응 태양전지 단위 셀의 미세구조나 성분 등 단위 셀의 내부 구조에 관한 것이 아니라 태양전지 단위 셀의 연결구조 및 연결방법에 관한 것이다. 따라서, 이하에서는 설명의 편의를 위해 전도성기판과 외부전극만을 표시하여 염료감응 태양전지 단위 셀의 사시도를 도 1b처럼, 측면도를 도 1c처럼 단순화하여 표현하기로 한다.
이러한 염료감응 태양전지는 태양에너지를 이용하여 전기에너지를 생성하기 때문에 친환경적이고 에너지원이 무한한 장점이 있다. 또한 기존의 실리콘계 태양전지에 비해 제조단가가 현저히 낮기 때문에 기존의 비정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 그러나 염료감응 태양전지는 실리콘계 태양전지에 비해 효율이 떨어지는 문제가 있으므로, 실용화를 위해서는 광전변환 효율의 향상과 함께 태양전지의 대면적화가 가능하여야 한다. 지속적인 연구에 의해 활성화 면적이 1cm2 이하인 소형 태양전지에서 높은 광전변환 효율을 구현한 예가 계속 보고되고 있지만, 대면적화된 태양전지에서는 소형 태양전지에서와 같은 높은 광전변환 효율을 기대할 수 없는 실정이다. 이는 태양전지가 대면적화될수록 전자의 이동 거리가 길어지고, 태양전지에 사용되는 전극은 외부광의 투과를 위해 투명전극을 사용하나 투명전극은 저항이 높기 때문이다. 즉, 대면적화된 태양전지에서는 외부광에 의해 형성된 전자들이 높은 저항의 투명전극을 통해 멀리 이동하여야 하므로 광전변환 효율이 좋지 않다.
이에 대면적화된 태양전지에서 광전변환 효율을 향상시키는 방법으로 하나의 태양전지로 작용하는 단위 셀을 복수로 연결하여 태양전지모듈로 제작하는 방법이 제시되었다. 종래기술에 의하면, 도 2에 도시된 것과 같이 태양전지 단위 셀을 서로 연결하기 위하여 인접한 단위 셀의 외부전극(106a, 106b) 사이에 도전성 접착제 또는 도전성 양면테이프와 같은 도전성연결수단을 위치시켜 단위 셀들을 연결하게 된다. 그러나 이 경우 접착제 또는 테이프의 고유저항이 크기 때문에 모듈의 성능이 열화될 수 있으며, 조립 시 여러개의 셀을 연결할 때 움직임에 노출되어 접합이 끊어지거나 단선되어 접촉 저항이 증가하는 문제가 있다. 또한, 장기간 사용 시 온도차에 의한 팽창, 축소가 반복됨에 따라 접착 효율이 떨어져 전지 효율이 감소하기도 한다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 접촉부위를 납땜으로 고정화하는 방법을 고려할 수 있으나, 전극과 전극사이를 납땜하는 것이 어렵다는 문제가 있다. 또한 납땜을 한다고 하더라도 납땜의 높이를 균일하게 하기 어렵기 때문에 이후 조립된 태양전지모듈을 강화유리(108a, 108b)로 감쌀 때 국부적인 부분에 큰 압력이 가해져 셀이 쉽게 깨질 수 있다.
또한 종래 기술에 의한 단위 셀 구조에 의하면, 태양전지 모듈 중 고장난 셀을 교체해야 할 경우 셀이 서로 겹쳐져 있기 때문에 고장난 셀의 교체가 어렵다.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 도전성 접착제 또는 도전성 양면테이프에 의존하지 않으면서도 인접한 단위 셀의 (-)전극과 (+)전극을 물리적, 전기적으로 안정적으로 연결할 수 있는 구조를 갖는 염료감응 태양전지모듈 제조를 위한 단위 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 염료감응 태양전지모듈을 구성하는 단위 셀 중 일부를 교체해야 할 필요가 있을 때, 해당 셀의 선택적 교체가 용이한 염료감응 태양전지모듈 제조를 위한 단위 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에 의한 단위 셀을 이용하여 염료감응 태양전지모듈을 제작하기 위한 단위 셀간 연결방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 투명 전도성기판 위에 코팅된 다공성 나노입자 산화물에 감광성 염료분자가 흡착되어 있는 투명전극판, 전도성기판 위에 금속 또는 탄소가 코팅된 대향전극판, 투명전극판과 통전되는 투명전극판 외부전극 및 대향전극판과 통전되는 대향전극판 외부전극을 포함하여 구성되는 염료감응 태양전지 단위셀에 있어서, 상기 투명전극판과 대향전극판 중 어느 하나를 구성하는 전도성기판의 양말단이 외부로 확장되며, 상기 확장된 양말단에 투명전극판 외부전극과 대향전극판 외부전극이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 단위셀에 관한 것이다.
종래 기술의 염료감응 태양전지 단위셀은 투명전극판과 대향전극판 각각을 구성하는 전도성기판의 일말단이 서로 어긋나게 외부로 확장되며, 확장된 말단에 각각의 외부전극이 형성된다. 즉, 투명전극판을 구성하는 전도성기판의 확장부에는 (-)전극인 투명전극판 외부전극이, 대향전극판을 구성하는 전도성기판의 확장부에는 (+)전극인 대향전극판 외부전극이 각각 형성된다. 이에 반해 본 발명의 염료감응 태양전지 단위셀은 하나의 전도성기판의 양 말단이 확장되어 각 말단에 투명전극판 외부전극과 대향전극판 외부전극이 각각 형성되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 투명전극판 외부전극은 투명전극판과 통전되는 한편 대향전극판과는 절연되며, 대향전극판 외부전극은 대향전극판과 통전되는 한편 투명전극판과는 절연되어야 함은 당연하다.
본 발명은 염료감응 태양전지의 단위셀에 있어서, 종래기술과 단위셀의 구조에 차이가 있는 것으로 투명전극판이나 대향전극판 또는 전해질 등을 구성하는 물질은 종래기술과 동일하므로 이에 대해서는 자세한 기술을 생략한다.
또한, 본 발명에서의 단위셀은 한 쌍의 전도성기판 상에 한쌍의 투명전극과 대향전극만이 형성된 단위셀 뿐 아니라, 한 쌍의 전도성기판 상에 투명전극과 대향전극이 패턴화되어 있는 그리드셀에도 동일한 기술적 원리에 의해 적용이 가능하다. 상기 그리드셀은 직렬그리드셀 또는 병렬그리드셀일 수 있다.
상기 염료감응 태양전지 단위셀의 투명전극판 외부전극과 대향전극판 외부전극에 리본전선을 사전에 부착하여 놓는 경우, 염료감응 태양전지모듈을 보다 간편하게 조립할 수 있다.
본 발명은 또한 태양전지모듈의 회로도에 따라 상기 연료감응 태양전지 단위셀을 연결하는 것에 의한 태양전지모듈의 제작방법에 관한 것이다, 본 발명의 태양전지모듈의 제작방법은 (A) 투명전극판 외부전극과 대향전극판 외부전극이 위를 향하도록 태양전지모듈의 회로도에 따라 단위셀을 인접하게 배치하는 단계; 및 (B) 상기 회로도에 따라 상기 배치된 단위셀의 외부전극을 인접한 단위셀의 외부전극과 도전성연결수단에 의해 연결하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기의 염료감응 태양전지모듈의 제작방법은 (B) 단계 이후에 (C) 상기 단위 셀 간 외부전극의 연결부위를 유리, 고무 또는 플라스틱 재질의 덮개로 폐쇄하거나, 비전도성 수지로 충진하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 (C) 단계에 의하면 단위셀간 연결부위를 가려줄 수 있기 때문에 외관을 더욱 미려하게 할 수 있다.
상기 도전성연결수단은 전도성 접착제, 전도성 테이프, 전선 등을 예로 들 수 있으며, 전선을 이용할 경우에는 납땜에 의해 고정할 수 있다. 이때, 상기 전선이 원형 단면의 도선인 경우에는 위치에 따라 접촉저항이 크게 변화하여 단위셀들이 전기적으로 불균일하게 연결되는 문제가 있으므로 상기 전선은 접촉면적이 넓은 리본전선을 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 염료감응 태양전지 단위셀을 사용하여 상기 방법에 의해 염료감응 태양전지모듈을 사용하는 경우, 단위셀의 연결부위는 상부가 노출되어 있기 때문에 도전성연결수단에 의해 외부전극을 통전시킬 때 작업이 보다 용이하다. 또한, 종래기술의 단위셀에 의한 염료감응 태양전지모듈과는 달리 도전성연결수단 상부에는 다른 기판이 없기 때문에 도전성연결수단의 높이가 다른 것이 문제가 되지 않는다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 염료감응 태양전지모듈의 제조 시 도전성 접착제 또는 도전성 양면테이프에 의존하지 않으므로 인접한 단위셀의 외부전극을 물리적, 전기적으로 안정적으로 연결할 수 있으므로 태양전지모듈의 성능과 내구성이 향상된다.
또한, 본 발명에 의하면, 태양전지 단위셀의 연결 시 연결부위의 상부가 노출되어 있으므로 보다 간편하고 용이하게 단위셀을 연결하여 태양전지모듈을 제작할 수 있으며 불량률도 낮아지므로 생산성이 향상되어 보다 경제적으로 태양전지모듈을 제작할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 염료감응 태양전지모듈을 구성하는 단위 셀 중 일부를 교체해야 할 필요가 있을 때, 해당 셀의 선택적 교체가 용이하므로 유지·관리가 보다 효율적이다.
도 1a는 종래기술에 의한 염료감응 태양전지 단위셀의 개념적인 사시도이고, 도 1b는 염료감응 태양전지 단위 셀을 단순화한 사시도이며, 도 1c는 염료감응 태양전지 단위셀을 단순화한 단면도이다.
도 2는 종래기술에 의한 염료감응 태양전지모듈 제작을 위한 단위 셀의 연결방법을 예시한 도면이다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 의한 염료감응 태양전지 단위셀을 단순화한 사시도이고, 도 3b는 염료감응 태양전지 단위 셀을 단순화한 단면도이다.
도 4는 직렬그리드셀인 본 발명의 일 실시예에 의한 염료감응 태양전지 단위셀의 단면도이다.
도 5는 병렬그리드셀인 본 발명의 일 실시예에 의한 염료감응 태양전지 단위셀의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 염료감응 태양전지 단위셀을 사용하여 태양전지모듈을 제작하는 방법을 보여주는 개념도이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명에 의한 단위셀을 연결하는 방법이 적용된 다양한 행렬구조의 태양전지모듈의 예시도이다.
도 2는 종래기술에 의한 염료감응 태양전지모듈 제작을 위한 단위 셀의 연결방법을 예시한 도면이다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 의한 염료감응 태양전지 단위셀을 단순화한 사시도이고, 도 3b는 염료감응 태양전지 단위 셀을 단순화한 단면도이다.
도 4는 직렬그리드셀인 본 발명의 일 실시예에 의한 염료감응 태양전지 단위셀의 단면도이다.
도 5는 병렬그리드셀인 본 발명의 일 실시예에 의한 염료감응 태양전지 단위셀의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 염료감응 태양전지 단위셀을 사용하여 태양전지모듈을 제작하는 방법을 보여주는 개념도이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명에 의한 단위셀을 연결하는 방법이 적용된 다양한 행렬구조의 태양전지모듈의 예시도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 도면과 그에 대한 설명은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 염료감응 태양전지 단위셀의 구조를 보여주는 사시도(a)와 단면도(b)이다. 도면에서는 전도성기판(101a, 101b)과 외부전극(106a, 106b)만으로 단위셀 구조를 생략하여 나타낸 것으로, 종래기술과 동일한 구성의 다공성 나노입자 산화물, 감광성 염료분자와 전해질이 생략되어 있는 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 염료감응 태양전지 단위셀은 투명전극판과 대향전극판이 대향된 상태에서 투명전극판 또는 대향전극판을 구성하는 하나의 전도성기판(101b)의 양말단이 외부로 확장되어 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 양말단이 외부로 확장된 전극판을 '대전극판', 확장되지 않은 전극판을 '소전극판'이라 칭한다. 도 3에서는 대향된 전극판 중 상부의 전극판이 '소전극판', 하부의 전극판이 '대전극판'에 해당한다. 상기 대전극판은 투명전극판일 수도 있으며, 대향전극판일 수도 있다. 또한 도 3의 (a)에서는 원으로 표시된 부분의 구조를 이해하기 쉽도록 하기 위하여 대전극판이 2개로 분리되어 있는 것으로 도시하였으나, 실제로는 (b)의 단면도에 도시된 것처럼 연결되어 있다.
상기 대전극판의 양말단에는 각각 투명전극판 외부전극(106a)과 대향전극판 외부전극(106b)이 형성된다. 이를 위하여, 일말단의 외부전극은 대전극판과 통전되어 있는 한편, 타말단의 외부전극은 소전극판과 통전됨과 동시에 대전극판과는 절연되어 있어야 한다. 도 3은 대향전극판이 대전극판으로 구성된 단위셀구조를 예시한 것으로, 대전극판 왼쪽의 (+)전극은 대향전극판과 통전된 대향전극판 외부전극이며, 오른쪽의 (-) 전극은 투명전극판과 통전된 투명전극판 외부전극이다. 도 3(b)의 단면도를 참고하면, 투명전극판 외부전극은 전도성기판 부분의 전도성물질의 코팅층이 나뉘어져 있어 대향전극판과 절연되어 있음을 확인할 수 있다. 동시에, 투명전극판 외부전극(106a)은 금속패이스트(107)에 의해 소전극판이 투명전극판과 전기적으로 연결되어 있다. 상기 금속패이스트는 전기전도성이 높은 은이나 구리와 같은 재질의 금속으로 이루어진 것이 바람직하다. 도 3을 참조하여, 동일한 방법에 의해 당업자라면 투명전극판을 대전극판으로 한 단위셀을 구성하는 것은 용이할 것이다.
본 발명에서의 단위셀은 한 쌍의 전도성기판 상에 한쌍의 투명전극과 대향전극만이 형성된 단위셀 뿐 아니라, 한 쌍의 전도성기판 상에 투명전극과 대향전극이 패턴화되어 있는 그리드셀에도 동일한 기술적 원리에 의해 적용이 가능하다. 상기 그리드셀은 직렬그리드셀 또는 병렬그리드셀일 수 있다. 도 4는 본 발명의 단위셀이 직렬그리드셀인 태양전지 단위셀의 단면도이며, 도 5는 본 발명의 단위셀이 병렬그리드셀인 태양전지 단위셀의 단면도이다.
본 발명의 단위셀에서는 그리드셀이 아니거나, 직렬그리드셀인 경우, 병렬그리드셀인 경우 모두 외부전극이 대전극판의 양말단에 형성된다는 원리가 모두 동일하므로 이하에서는 도 3의 단위셀의 구조를 사용하여 본 발명을 설명한다. 또한, 이하에서는 도면을 더욱 단순화하기 위하여 전도성물질의 도금층은 생략하고 기판과 외부전극으로만 단순화하여 도시하나, 전도성물질층이 형성되어 있지 않음을 나타내는 것은 아니다.
도 6은 왼쪽 상면에 도시된 등가회로에 따라 염료감응 태양전지 단위셀을 연속하여 연결하는 것에 의해 태양전지모듈을 제작하는 방법을 보여주는 개념도이다. 상기 등가회로는 본 발명에서 염료감응 태양전지 단위셀의 연결을 설명하기 위해 예시적으로 제시된 회로도로 자체가 의미를 갖는 것은 아니다.
태양전지모듈을 제작하기 위해서는 먼저 회로도에 따라 단위셀들을 인접하게 배치한다. 이때, 대전극판을 아래에, 소전극판이 위에 놓이도록 하여 투명전극판 외부전극과 대향전극판 외부전극이 위를 향하도록 한다. 도 6에서 투명전극판 외부전극과 대향전극판 외부전극의 크기와 인접 단위셀간 거리는 설명의 편의를 위하여 과장되게 도시한 것으로 실제 단위셀에서의 외부전극의 크기는 매우 작으며 실제 단위셀간 거리 역시 매우 가깝다.
도 6에서는 회로도와 마찬가지로 단위셀의 (+) 전극이 모두 왼쪽을 향하도록 배열하였으므로, 가로방향의 연결은 직렬연결이 되고 세로방향 연결은 병렬연결이 된다. 상기 단위셀간 외부전극의 연결은 전도성 접착제, 전도성 테이프, 전선과 같은 도전성연결수단에 의해 이루어질 수 있다. 도 6에서는 리본전선을 납땜하는 것에 의해 단위셀을 연결하는 것을 예로 들어 설명하나, 도전성연결수단이 이에 한정되는 것이 아님은 당연하다.
보다 구체적으로 단위셀간 연결은 크게 두가지로 나눌 수 있다. 첫 번째 방법은 하나의 리본전선을 사용하여 복수개의 전극을 연결하는 방법이다. 이 방법은 리본전선도 절약되고 가로 및/또는 세로의 전극을 동시에 연결하므로 납땜 속도도 빠르다는 장점이 있다. 예를 들어, 도 6에서, A, D와 같이 2개 이상의 세로 방향의 단위셀을 하나의 리본전선으로 연결하거나, C와 같이 2개의 가로 방향의 단위셀을 하나의 리본전선으로 연결할 수 있다. 또는 B와 같이 가로방향의 단위셀과 세로방향의 단위셀을 한꺼번에 연결할 수도 있다.
두 번째 방법은 D-E, D-F, F-G, H-I의 연결과 같이 투명전극판 외부전극과 대향전극판 외부전극 각각에 하나의 리본전선을 연결한 후 각 리본전선을 리본전선 조각을 이용하여 가로 및/또는 세로 방향으로 연결하는 방법이다. 이 방법은 단위셀의 배열 이전에 각각의 단위셀에 사전작업을 해 놓은 후 연결이 필요한 부분만 리본전선 조각을 이용하여 간단히 연결할 수 있어 편리하다는 이점이 있다. 상기 리본전선 조각은 날개달린 v자형 또는 평판형 리본전선 조각을 사용할 수 있다. 특히, 날개달린 v자형 리본전선 조각은 회전(R1, R2)이나 수평 응축 방향의 움직임(P1, P2)에 대해 v자가 탄성으로 움직임을 흡수하여 전선에 피로가 누적되지 않으므로 더욱 바람직하다.
하나의 태양전지모듈에 상기 두가지 방법이 동시에 사용될 수 있음은 당연하다.
도 6에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 염료감응 태양전지 단위셀을 사용하여 염료감응 태양전지모듈을 제조할 때, 종래기술과 달리 단위셀간 연결부위의 상부가 노출되어 있기 때문에 도전성연결수단에 의해 외부전극을 통전시킬 때 작업이 보다 용이하다. 따라서, 종래기술에서는 어긋난 단위셀의 구조로 인하여 태양전지모듈의 조립 시 여러 개의 셀을 연결할 때 움직임에 노출될 수 밖에 없으나, 본 발명에 의하면 외부전극이 노출되어 있으므로 조립시 움직임에 노출될 우려가 없으므로 작업 중 접합이 끊어지거나 단선으로 인한 불량률을 크게 낮출 수 있다. 한편, 통상 태양전지모듈은 태양전지모듈의 보호를 위해 한쌍의 강화유리(108a, 108b, 108a는 도시 생략) 사이에 조립된 태양전지모듈을 끼워 감싸서 사용하게 된다. 도 6에는 대전극판 하부의 강화유리만을 도시하고 소전극판 상부의 강화유리는 생략된 상태이다. 본 발명의 태양전지모듈 제작 방법에 의하면, 리본전선과 외부전극 또는 리본전선과 리본전선 조각이 납땜된 상부에 소전극판이 위치하지 않고 노출되어 있다. 따라서, 응고된 납방울의 높이가 다소 차이가 있더라도 해당 부위의 높이가 소전극판의 상부 높이보다 높지만 않다면 조립이 완료된 후 소전극판의 상부를 강화유리로 덮을 때 납땜부위의 높이가 균일하지 않아 국부적으로 강한 힘이 작용할 우려가 없고, 이로 인한 불량이 발생하지 않는다. 통상 투명전극판과 대향전극판의 높이가 수 mm임을 고려하면, 실질적으로 상기와 같은 종래기술의 문제는 거의 발생하지 않을 것이다.
본 발명에서 단위 셀 간 외부전극의 연결부위는 유리, 고무 또는 플라스틱 재질의 덮개로 폐쇄하거나, 비전도성 수지로 충진하여 외관을 더욱 미려하게 할 수 있다. 도 6에서는 부틸테잎(109)과 같은 유연성있는 테잎으로 연결부위를 덮을 수 있음을 도시하였다.
본 발명에 의해 제조된 태양전지모듈은 인접한 단위셀의 투명전극판과 대향전극판이 겹쳐져 있지 않기 때문에 태양전지모듈 중 불량한 단위셀의 교체가 용이하다. 즉, 교체가 필요한 단위셀의 연결부위만을 제거하면 셀을 쉽게 들어올릴 수 있다. 특히, 단위셀간 연결이 리본전선 조각에 의해 이루어진 경우에는 단순히 리본전선 조각만 제거하면 되므로 교체가 더욱 용이하다.
도 7 내지 도 10에 본 발명에 의한 태양전지 단위셀과 태양전지모듈의 제작방법에 의해 제조되는 태양전지모듈을 예시적으로 도시하였다. 각 회로도에서 직렬연결은 인접한 단위셀의 반대극성의 외부전극을 연결하는 것에 의해, 병렬연결은 인접한 단위셀의 동일극성의 외부전극을 연결하는 것에 의해 이루어진다.
도 7은 본 발명에 의한 단위셀을 병렬3 × 직렬3 행렬로 연결한 모듈을 도시한 것이다. 도 7a는 본 태양전지모듈의 회로도다. 도 7b는 하나의 리본전선을 사용하여 복수개의 외부전극을 연결하여 태양전지모듈을 제작한 것으로, 4개의 리본전선을 길게 사용하여 납땜하면 되므로 배선구조가 간단하고 납땜시간이 빠른 장점이 있다. 도 7c는 각 단위셀의 외부전극에 리본전선이 사전에 설치되어 있고, 이를 리본전선 조각을 사용하여 연결하는 것에 의해 태양전지모듈을 제작한 것이다. 이 경우에는 회로도에 따라 리본전선 조각을 사용하여 리본전선을 연결하는 것에 의해 빠르게 태양전지모듈을 제작할 수 있다. 가로방향 리본전선 조각은 하나만 사용하여도 무방하지만, 전류값이 크다면 점선 부분을 추가하여 2개 이상의 리본전선 조각을 사용하여 연결하는 것이 바람직하다.
도 8 이하의 도면에서는 도 7와 마찬가지로 도 8a~도 10a는 회로도를 나타낸다. 도 8b~도 10b는 하나의 리본전선을 사용하여 복수개의 외부전극을 연결한 제작 방식을, 도 8c~도 10c는 각 단위셀의 외부전극에 리본전선이 사전에 설치되어 있고, 이를 리본전선 조각을 사용하여 연결하는 제작 방식을 사용하여 태양전지모듈을 제작한 것이다.
도 8은 단위셀 3개가 직렬로 연결된 것을 3개의 열로 병렬연결한 모듈에 관한 것이다. 도 9는 단위셀을 3 × 3 행렬로 배치하고 모두 직렬로 연결한 모듈을 나타낸다. 이때, 단위셀을 짝수행에 배치할 때에는 홀수행과 반대극성의 외부전극이 세로로 인접하도록 단위셀을 180도 회전하여 배치하여야 한다. 도 10은 단위셀을 3 × 3 행렬로 배치하고 모두 병렬로 연결한 모듈을 나타낸다. 이 경우에는 단위셀을 짝수열에 배치할 때 홀수열과 동일극성의 외부전극이 가로로 인접하도록 단위셀을 180도 회전하여 배치하여, 홀수행과 짝수행에서 세로로 인접한 외부전극은 동일극성을 갖도록 배치한다. 단, 도 10c에서 확인할 수 있듯이 리본전선 조각을 사용하여 연결하는 경우에는 동일 열에서 외부전극의 극성이 교호적으로 위치하도록 할 수도 있다. 구체적인 연결공정에 관해서는 전술한 바 있으므로 추가 설명을 생략한다.
101a, 101b : 전도성기판
102 : 다공성 나노입자 산화물 103 : 감광성 염료분자
104 : 금속 또는 탄소 코팅 105 : 전해질
106a : 투명전극판 외부전극 106b : 대향전극판 외부전극
107 : 금속패이스트 108a, 108b : 강화유리
109 : 부틸테잎
102 : 다공성 나노입자 산화물 103 : 감광성 염료분자
104 : 금속 또는 탄소 코팅 105 : 전해질
106a : 투명전극판 외부전극 106b : 대향전극판 외부전극
107 : 금속패이스트 108a, 108b : 강화유리
109 : 부틸테잎
Claims (7)
- 투명 전도성기판 위에 코팅된 다공성 나노입자 산화물에 감광성 염료분자가 흡착되어 있는 투명전극판, 전도성기판 위에 금속 또는 탄소가 코팅된 대향전극판, 투명전극판과 통전되는 투명전극판 외부전극 및 대향전극판과 통전되는 대향전극판 외부전극을 포함하여 구성되는 염료감응 태양전지 단위셀에 있어서,
상기 투명전극판과 대향전극판 중 어느 하나를 구성하는 전도성기판의 양말단이 외부로 확장되며, 상기 확장된 양말단에 투명전극판 외부전극과 대향전극판 외부전극이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 단위셀
- 제 1 항에 있어서,
상기 단위셀은 직렬그리드셀 또는 병렬그리드셀인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 단위셀.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 투명전극판 외부전극과 대향전극판 외부전극에는 리본전선이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 단위셀.
- 태양전지모듈의 회로도에 따라 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 의한 단위셀들을 연결하는 것에 의한 태양전지모듈의 제작방법으로서,
(A) 투명전극판 외부전극과 대향전극판 외부전극이 위를 향하도록 태양전지모듈의 회로도에 따라 단위셀을 인접하게 배치하는 단계; 및
(B) 상기 회로도에 따라 상기 배치된 단위셀의 외부전극을 인접한 단위셀의 외부전극과 도전성연결수단에 의해 연결하는 단계;
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 제작방법.
- 제 4 항에 있어서,
(B) 단계 이후에
(C) 상기 단위 셀 간 외부전극의 연결부위를 유리, 고무 또는 플라스틱 재질의 덮개로 폐쇄하거나, 비전도성 수지로 충진하는 단계;
를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 제작방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 도전성연결수단은 전도성 접착제, 전도성 테이프 또는 전선에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 제작방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 전선은 리본전선 또는 날개달린 v자형 리본조각 또는 평판형 리본조각을 이용하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 제작방법.
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