KR20120028494A - 효율이 개선된 염료감응 태양전지 - Google Patents

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KR20120028494A
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백종협
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배호기
박찬석
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Abstract

본 발명은 단위셀의 기능 불량으로 발생하는 모듈 전체의 효율 저하를 차단할 수 있는 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 다수의 단위셀을 구성하는 패턴 도전층이 형성되는 전면기판 및 후면기판; 제1 단위셀의 전면기판 상에 형성되는 제1 전면집전극; 제1 단위셀에 인접하는 제2 단위셀의 후면기판 상에 형성되는 제2 후면집전극; 제1 단위셀과 제2 단위셀의 사이에 형성되고, 내부에 제1 전면집전극과 제2 후면집전극을 연결하는 공간을 형성하는 실링부; 실링부의 공간에 대응되는 위치의 후면기판에 관통홀이 구비되고, 관통홀로 삽입되어 제1 전면집전극과 제2 후면집전극을 전기적으로 연결하는 제1 연결전극; 제1 연결전극에 인접하는 제2 연결전극; 제1 및 제2 연결전극에 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 인출선: 및 일단은 제1 인출선에 연결되고 타단은 제2 인출선에 연결되는 일방향 도통소자를 포함하여 구성된다.

Description

효율이 개선된 염료감응 태양전지 {DYE SENSITIZED SOLAR CELL WITH ADVANCED POWER EFFICIENCY}
본 발명은 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 상세하게는 내부 단위셀의 기능 저하로 인한 모듈의 기능저하의 영향을 차단할 수 있는 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
1991년도 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀이 염료감응 나노입자 산화티타늄 태양전지를 개발한 이후, 이 분야에서 많은 연구가 진행되어 왔다.
염료감응 태양전지는 기존의 실리콘계 태양전지에 비해 제조 단가가 낮아 기존의 비정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 염료감응 태양전지는, 실리콘 태양전지와 달리, 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성하는 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주된 구성 요소로 하는, 광전기-화학적 태양전지이다.
일반적인 염료감응 태양전지의 단위셀의 구조는, 전면 투명기판, 후면 투명기판, 그리고 전면/후면 투명기판의 각 표면에 형성되는 도전성 투명 전극을 기본 구성요소로 한다. 전면 투명기판의 도전성 투명 전극에는 전이금속 산화물, 예를 들어 TiO2 다공질층이 형성된다. 나노 입자 다공질 TiO2의 표면에는 염료가 흡착되어 있다. 후면 투명기판의 도전성 투명 전극에는 촉매전극이 형성된다. 그리고, TiO2 다공질층과 촉매전극 사이에는 전해질이 채워진다.
염료감응 태양전지의 전기 발생 원리는, 염료가 빛을 흡수하면 염료 내부의 전자가 여기되어 TiO2 다공질층으로 이동하여 외부 전극까지 도달함에 따라 한 극을 이루고, 염료에서 전자가 빠져 나간 자리는 전해질 속에 있는 요오드 이온의 산화 작용에 의해 요오드의 전자가 이동하여 채워진다. 요오드 이온은 촉매전극 쪽으로 이동하여 촉매전극 표면에서 환원 작용에 의해 전자를 다시 공급받는다. 이때, 전압은 TiO2의 전도대 최하단의 에너지 준위와 촉매전극 표면에서 요오드 이온의 환원 준위 차이로 결정된다.
그런데, 염료감응 태양전지는 1㎠ 이하의 작은 면적에서는 효율이 높으나 대면적으로 제조하면 기판과 소재의 저항 때문에 효율이 급격히 떨어진다. 이 때문에, 대면적 모듈로 제조하기 위하여 인접 단위셀들을 전기적으로 연결하게 된다.
도1은 본 발명의 출원인이 출원한 후면기판 관통의 연결전극을 갖는 염료감응 태양전지 모듈이다(출원번호 10-2010-50096호).
도1에 도시한 바와 같이, 후면기판을 관통하는 연결전극을 갖는 염료감응 태양전지 모듈은, 전면 투명기판(111)과 후면 투명기판(121), 전면 도전층(131,141)과 후면 도전층(133,143), TiO2 다공질층(132,142)과 촉매전극(134,144), 전해질층(136,146), 절연층인 실링부(135a,135b,145a,145b), 그리고 제1 단위셀의 전면 도전층(131)과 제2 단위셀의 후면 도전층(143)을 전기적으로 연결하는 연결전극(151,152)을 포함한다. 연결전극(151,152)는 후면 투명기판(121)에 관통홀을 뚫고, 그 관통홀을 통해 삽입된다.
덧붙여, 전면 도전층(131)과 후면 도전층(143)에는 집전극(미도시)이 형성되어 있고, 연결전극(161)은 전면 도전층(131)의 집전극과 후면 도전층(143)의 집전극을 연결한다. 이하에서는 도시와 설명의 편의를 위해, 연결전극(151)이 제1 단위셀의 전면 도전층(131)과 제2 단위셀의 후면 도전층(143)을 연결하는 것으로 설명한다.
이러한 구조의 염료감응 태양전지는, 연결전극의 폭이 좁으면서도 전기적 연결이 양호하여 모듈 전체의 발전 효율을 높인다.
그러나, 이러한 염료감응 태양전지도 다수의 단위셀들이 연결되는 구조여서, 일부 단위셀이 그 기능을 못할 경우 전체 모듈의 발전 효율이 떨어질 수 있다.
본 발명은 염료감응 태양전지 모듈에서 야기될 수 있는 발전 효율의 저하 문제를 해결하기 위한 것으로, 특정 단위셀 또는 다수의 단위셀이 내부 또는 외부의 요인으로 그 기능을 못하더라도 다른 단위셀들이 생성한 전력을 인출하는데 전혀 영향이 받지 않도록 하여, 모듈 전체의 발전 효율이 저하되지 않도록 하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 염료감응 태양전지는, 다수의 단위셀을 구성하는 패턴 도전층이 형성되는 전면기판 및 후면기판; 제1 단위셀의 전면기판 상에 형성되는 제1 전면집전극; 제1 단위셀에 인접하는 제2 단위셀의 후면기판 상에 형성되는 제2 후면집전극; 제1 단위셀과 제2 단위셀의 사이에 형성되고, 내부에 제1 전면집전극과 제2 후면집전극을 연결하는 공간을 형성하는 실링부; 실링부의 공간에 대응되는 위치의 후면기판에 관통홀이 구비되고, 관통홀로 삽입되어 제1 전면집전극과 제2 후면집전극을 전기적으로 연결하는 제1 연결전극; 제1 연결전극에 인접하는 제2 연결전극; 제1 및 제2 연결전극에 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 인출선: 및 일단은 제1 인출선에 연결되고 타단은 제2 인출선에 연결되는 일방향 도통소자를 포함하여 구성된다.
일방향 도통소자는 일방향 다이오드일 수 있다.
제1 및 제2 인출선과 제1 및 제2 연결전극의 전기적 접속은 납 등으로 용접하는 방식, 또는 미세 볼트를 이용하여 볼트에 인출선을 감은 후 이를 연결전극에 스크류 결합하는 방법 등이 사용될 수 있다. 이러한 방법은 연결전극이 어느 정도 굳어진 후에 사용하는 것이 바람직하다. 그 밖에, 연결전극을 관통홀에 삽입할 때 인출선을 같이 삽입하면 연결전극이 굳어지면서 인출선도 연결전극에 고정되는데, 이 방식도 사용가능하다.
제1 및 제2 연결전극은 관통홀의 내부로 삽입되며, 이 때 관통홀의 일부가 빈 공간으로 남게 되는데, 이 공간은 충진재로 채우는 것이 바람직하다.
제1 및 제2 연결전극은 관통홀에 충만될 수 있으며, 이 경우 충진재는 필요없다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은, 전면기판에 단위셀을 구성하는 도전층 패턴, 다공질층, 전면집전극을 형성하는 단계; 후면기판에 단위셀을 구성하는 도전층 패턴, 전해액 주입홀 및 연결전극 관통홀, 촉매전극, 후면집전극을 형성하는 단계; 인접하는 단위셀을 절연하는 실링부 내부에 공간이 형성되도록 열가소성 물질을 개재한 후 전면기판과 후면기판을 합착하는 단계; 후면기판의 관통홀을 통하여 연결전극을 주입하는 단계; 연결전극에 인출선을 연결하는 단계; 인출선에 일방향 도통소자를 연결하는 단계; 및 후면기판의 전해액 주입홀을 통하여 전해액을 주입하는 단계를 포함한다.
인출선 연결단계 후, 관통홀의 일부가 빈 공간으로 남게되면, 그 공간은 충진재로 충진하는 단계를 더 거칠 수 있다.
일방향 도통소자는 일방향 다이오드일 수 있다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 다른 제조방법은, 전면기판에 단위셀을 구성하는 도전층 패턴, 다공질층, 전면집전극을 형성하는 단계; 후면기판에 단위셀을 구성하는 도전층 패턴, 전해액 주입홀 및 연결전극 관통홀, 촉매전극, 후면집전극을 형성하는 단계; 인접하는 단위셀을 절연하는 실링부 내부에 공간이 형성되도록 열가소성 물질을 개재한 후 전면기판과 후면기판을 합착하는 단계; 후면기판의 관통홀을 폐쇄하는 단계; 후면기판의 전해액 주입홀을 통하여 전해액을 주입하는 단계; 전해액 주입홀을 봉지하는 단계; 후면기판의 관통홀을 개방하는 단계; 후면기판의 관통홀을 통하여 연결전극을 주입하는 단계; 연결전극에 인출선을 연결하는 단계; 및 인출선에 일방향 도통소자를 연결하는 단계로 구성될 수 있다.
이 방법에서도, 인출선 연결단계 후에 관통홀의 일부가 빈 공간으로 남게되면, 그 공간을 충진재로 채우는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이와같이 일방향 다이오드를 갖는 염료감응 태양전지 모듈은 특정 단위셀 또는 다수의 단위셀이 내부 또는 외부의 요인으로 그 기능을 못하더라도 다른 단위셀들이 생성한 전력에는 영향을 주지 않게 되어, 모듈 전체의 발전 효율이 저하되지 않게 된다.
도1은 후면기판 관통의 연결전극을 갖는 염료감응 태양전지 모듈의 단면도이다.
도2a는 본 발명에 따른 일방향 다이오드와 제1형태의 연결전극을 연결한 염료감응 태양전지 모듈의 단면도이다.
도2b는 본 발명에 따른 일방향 다이오드와 제2형태의 연결전극을 연결한 염료감응 태양전지 모듈의 단면도이다.
도3a는 전면기판을 제조하는 과정을, 도3b는 후면기판을 제조하는 과정을, 그리고 도3c는 전면기판과 후면기판을 합착하여 본 발명에 따른 염료감응 태양전지를 완성하는 과정을 설명하고 있다.
도4a,4b는 4개의 단위셀로 구성된 2개의 염료감응 태양전지 모듈에서, 하나에는 하나의 단위셀에 일방향 다이오드를 부착하고 다른 하나는 일방향 다이오드를 부착하지 않은 채, 하나의 단위셀의 광전극면을 마스킹하면서 측정했을 때 나타난 전류-전압 곡선이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
111: 전면 투명기판 121: 후면 투명기판
132,142: 다공질층 134,144: 후면 도전층
151,152,251,252: 연결전극 161,162: 관통홀
261,262: 충진재 311: 납땜
321,322: 인출선 331: 일방향 다이오드
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도2a는 본 발명에 따른 일방향 다이오드와 제1형태의 연결전극을 연결한 염료감응 태양전지 모듈의 단면도이다.
도2a에 도시한 바와같이, 제1실시예는 전면 투명기판(111)과 후면 투명기판(121), 전면 도전층(131,141)과 후면 도전층(133,143), TiO2 다공질층(132,142)과 촉매전극(134,144), 전해질층(136,146), 절연층인 실링부(135a,135b,145a,145b), 그리고 제1 단위셀의 전면 도전층(131)과 제2 단위셀의 후면 도전층(143)을 전기적으로 연결하는 연결전극(151,152), 납땜부(311), 인출선(321,322), 일방향 다이오드(331) 등을 포함한다.
전면 투명기판(111)과 후면 투명기판(121)은 PET, PEN, PC, PP, PI, TAC 중의 어느 하나를 포함하는 투광성 플라스틱 기판 또는 유리기판으로 구성된다.
전면 도전층(131,141) 또는 후면 도전층(133,143)은 전면 투명기판(111) 또는 후면 투명기판(121)의 표면에 코팅되는 형태로 구성될 수 있다. 전면 도전층(131,141) 또는 후면 도전층(133,143)은 ITO, FTO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), SnO2-Sb2O3 중의 어느 하나로 구성될 수 있다.
TiO2 다공질층(132,142)은 1~40㎛ 두께의 다공질 막일 수 있으며, 다공질층을 구성하는 나노 입자의 평균 입경은 3~100㎚ 정도가 바람직하고, 10~40㎚의 입경을 가지는 것이 더 바람직하다. 다공질층을 이루는 대표적인 물질인 TiO2의 입경 별 효율을 보면, TiO2의 입경이 10nm 보다 작으면 성막 후 열처리 시 밀착성이 떨어져 박리가 일어날 수 있다. 반면에, TiO2의 입경이 40nm보다 크면 표면적이 줄어들어 염료 흡착 포인트가 감소하며 그 결과 광전 변환 효율이 떨어질 수 있다. 따라서, 공정성과 효율을 모두 고려할 때, 10~40nm 입경의 TiO2를 이용하는 것이 바람직하다.
다공질층은 나노 입자들이 균일하게 분포하고 있으며, 또한 다공성을 유지하면서 표면은 적당한 거칠기를 갖는 것이 중요하다. 표면 거칠기는 20nm 보다 큰 것이 바람직하다.
다공질층에는 전자 이동을 쉽게 하기 위해, 주석이 도핑된 산화인듐(ITO : tin-doped indium oxide)과 같은 도전성 미립자가 첨가될 수 있다. 또한, 광로를 연장시키기 위해 광산란자가 첨가될 수도 있다.
제1 실시예서 다공질층으로 Ti산화물을 이용하고 있지만, Nb산화물, Zn산화물, Sn산화물, Ta산화물, W산화물, Ni산화물, Fe산화물, Cr산화물, V산화물, Pm산화물, Zr산화물, Sr산화물, In산화물, Yr산화물, La산화물, Mo산화물, Mg산화물, Al산화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물, SrTi산화물 등도 단독으로 또는 복합물의 형태로 이용될 수 있다.
다공질층의 나노 입자 표면에는 염료감응태양전지에 사용될 수 있는 염료이면 특별히 한정되지 않으며, 바람직하기로는 루테늄(Ru)계 염료가 좋다. Ru는 백금 족에 속하는 원소로서, 많은 유기 금속 복합 화합물을 만들 수 있다. 구체적인 일예로 염료감응 태양전지에 적합한 염료로는 Ru(etc bpy)2(NCS)22CH3CN 타입이 있다. 여기서, etc는 (COOEt)2 또는 (COOH)2 로서, 다공질 막(TiO2)의 표면과 결합 가능한 반응기이다.
촉매전극(134,144)은 백금, 카본, 카본나노튜브 등으로 구성되고, 1~300nm 정도의 두께를 가지며, 광 투과율은 10~100%인 것이 좋다. 특히, 백금은 반사도가 우수하여 널리 사용되고 있다.
전해질층(136,146)은 액체 전해질, 이온성 액체 전해질, 준고체 전해질, 고분자 전해질, 고체 전해질 등이 선택적으로 사용될 수 있다. 전해질은 전면 투명기판(111)과 후면 투명기판(121)의 사이에서, TiO2 다공질층(136,146) 내부에 균일하게 분산되어 있다. 전해질은 아이다이오드(idiode)/트리다이오드(tridiode) 쌍으로서, 산화/환원에 의해 촉매전극(134,144)으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 한다.
절연층인 실링부(135a,135b,145a,145b)는 전면 도전층(131,141) 또는 후면 도전층(133,143)의 일측을 제거한 홈일 수도 있으나, 본 발명의 실링부(135a,135b,145a,145b)는 아래에서 설명할 연결전극(151,152)이 삽입되는 공간을 만들기 위해 일체형으로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 각 실링부(135a,135b,145a,145b)은 일측 단부가 전면 도전층(131,141)이나 후면 도전층(134,144)을 제거한 후 전면 투명기판(111) 또는 후면 투명기판(121)까지 연장되도록 형성된다. 도2에서는, 예를들어, 하나의 실링부(145a)를 보면, 실링부(145a)의 일측 단부가 전면 도전층(131,141)이 제거된 일측 부분을 통과하여 전면 투명기판(111)까지 연장되고, 실링부(145a)의 타측 단부는 후면 도전층(143)의 일측 상부면까지 연장되도록 구성되어 있으나, 이러한 형태로 한정되는 것은 아니고, 인접하는 실링부에 의하여 내부에 폐쇄된 공간이 만들어진다면, 실링부를 어떤 형태로 구성하여도 무방하다.
인접하는 단위셀을 절연하는 실링부(135b,145a)가 형성하는 공간은 후면 투명기판(121)에 형성되는 관통홀(161,162)의 위치와 일치되게 구성한다.
연결전극(151)은 제1 단위셀의 전면 도전층(131)과 인접한 제2 단위셀의 후면 도전층(143)을 전기적으로 연결한다. 앞서 설명한 바와 같이, 실제로, 연결전극(151)은 제1 단위셀의 전면 도전층(131)에 연결되는 전면 집전극과 제2 단위셀의 후면 도전층(143)에 연결되는 후면 집전극을 전기적으로 연결한다.
연결전극(151,152)은 후면 투명기판(121)에 형성되는 다수의 관통홀(161,162)을 통해 실링부(135b,145a)의 내부 공간으로 삽입된다. 제1 실시예에서는, 관통홀(161)을 통해 열경화성의 도전성 금속, 예를들어 페이스트(paste)나 잉크(ink) 형태의 은(Ag) 등을 주사기로 주입하며, 은 페이스트나 은 잉크가 실링부(135b,145a)의 내부 공간에 채워지면, 오븐에서 120~170℃ 정도의 온도로 10~30분 간 열경화하여 연결전극(151)을 형성한다. 여기서, 은 페이스트나 은 잉크는 관통홀(161,162)을 따라 주입된다. 도2a에서, 연결전극(151,152)은 주입된 상태로 경화되므로, 후면 투명기판(121)의 관통홀(161,162)은 연결전극(151,152)으로 채워지게 된다.
관통홀(161,162)의 후면 투명기판 방향에 위치하는 연결전극(151,152)의 단부에는, 인출선(321,322)이 전기적으로 결합된다. 여기서, 전기적 결합의 방식은 납땜 등의 다양한 방식이 이용될 수 있다.
인출선(321,322)은 후면 투명기판(121) 방향으로 인출되며, 각 인출선(321,322)은 일방향 다이오드(331)에 연결된다. 일방향 다이오드(331)는 양측 인출선(321,322) 사이의 단위셀이 그 기능을 상실하면, 해당 단위셀을 바이패스(bypass)하여 인접하는 단위셀들을 전기적으로 연결시키며, 이를 통해 하나의 단위셀의 기능 저하가 다른 단위셀들의 기능에 영향을 미치지 않게 할 수 있다.
인출선(321,322)과 연결전극(151,152)을 연결하는 부위는, 연결전극(151,152)의 전체 또는 중앙의 일부일 수 있다. 한편, 연결전극(151,152)이 관통홀(161,162)에 삽입될 때 관통홀(161,162)의 가장자리가 안쪽으로 함몰될 수 있는데, 이 경우에는 이 함몰부에 인출선(321,322)를 끼워 결합하는 방식도 가능하다.
도2b는 본 발명에 따른 일방향 다이오드와 제2형태의 연결전극을 연결한 염료감응 태양전지 모듈의 단면도이다.
도2b에 도시한 바와같이, 제2 실시예도, 제1 실시예와 마찬가지로, 전면 투명기판(111)과 후면 투명기판(121), 전면 도전층(131,141)과 후면 도전층(133,143), TiO2 다공질층(132,142)과 촉매전극(134,144), 그리고 전해질층(136,146), 절연층인 실링부(135a,135b,145a,145b), 납땜부(311), 인출선(321,322), 일방향 다이오드(331) 등을 포함한다.
도2b의 제2 실시예는, 전면 도전층과 후면 도전층을 전기적으로 연결하는 연결전극(251,252)의 형태와 형성방법이 제1 실시예와 다르고, 그 결과 후면 투명기판(121)의 관통홀(161,162)을 채우는 과정이 더 필요할 수 있다.
도2b에 도시한 바와 같이, 후면 투명기판(121)에 형성되는 다수의 관통홀(161,162)을 통해 연결전극(251,252)이 실링부(135b,145a)의 내부 공간으로 삽입된다. 제2 실시예에서는, 연질의 도전성 금속 펠릿(pellet), 예를들어 인듐(indium) 펠릿을 관통홀(161)에 삽입한 후 후방에서 가압하면, 연질의 인듐 펠릿이 실링부(135b,145a)의 내부 공간으로 퍼지면서 연결전극이 만들어진다.
연결전극(251,252)의 단부에는 인출선(321,322)이 전기적으로 결합된다. 전기적 결합 방식은 납땜 등이 이용될 수 있다. 여기서, 연결전극(251,252)의 단부가 관통홀(161,162)의 내부로 깊숙이 들어가게 되면, 연결전극(251,252)과 인출선(321,322)을 연결하는 것이 어려워질 수 있다. 따라서, 인듐 펠릿을 관통홀(161,162)에 삽입한 후 가압할 때, 연결전극(251,252)의 단부가 관통홀(161,162)의 개방부 가까이 위치하도록 펠릿의 양이나 가압 정도를 조절하는 것이 바람직하다.
인출선(321,322)은 후면 투명기판(121) 방향으로 인출되며, 각 인출선은 일방향 다이오드(331)에 연결된다.
인출선(321,322)과 연결전극(251,252)의 연결 부위는, 연결전극(251,252)의 중앙부의 전체 또는 일부가 바람직하고, 또는 연결전극(251,252)이 관통홀(161,162)에 형성될 때 관통홀(161,162)의 가장자리가 안쪽으로 함몰되면, 그 부분에서 연결전극(251,252)과 인출선(321,322)을 결합할 수도 있다.
도2b의 제2실시예는, 도2a의 제1실시예와 달리, 열처리 과정이 수반되지 않는다. 다만, 인듐 펠릿이 관통홀(161,162)을 통과하여 실링부(135b,145a)의 내부 공간으로 들어가기 때문에, 관통홀(161,162)이 빈 공간으로 남을 수 있다. 만약, 관통홀(161,162)에 빈공간이 형성되면, 관통홀(161,162)의 빈공간은 충진재(261,262)로 채우는 것이 바람직하다. 충진재로는 접착제를 사용할 수 있다. 접착제로는 열가소성 고분자 필름, 에폭시 수지, 자외선 경화제 등을 사용할 수 있다. 연질의 인듐 펠릿을 가압하더라도 관통홀(161,162)이 연질의 인듐 펠릿으로 충만되어 있다면, 관통홀(161,162)을 채우는 과정은 필요없다.
도3a,3b,3c는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지를 제조하는 과정을 설명하고 있다. 도 3a,3b,3c에 도시한 바와 같이, 염료감응 태양전지는 전면기판을 제조하는 과정, 후면기판을 제조하는 과정, 그리고 전면기판과 후면기판을 합착하는 과정 등으로 구성된다.
도3a는 전면기판을 제조하는 과정을 설명하고 있다.
먼저, 도전성 전면 투명기판을 세정한다(S31).
세정된 도전성 전면 투명기판에 레이저를 이용하여 전극을 패터닝하여 도전성 투명 전극을 형성한다(S32).
전면 도전층 위에는 마스크를 이용하여 스프레이 방식으로 역전자 방지층을 형성하고(S33), 역전자 방지층 위에는 마스크를 이용하여 TiO2 다공질층을 형성한다(S34). TiO2 다공질층 위에는 마스크를 이용하여 반사층을 추가 형성할 수 있다(S35).
역전자 방지층, TiO2 다공질층, 그리고 반사층이 형성되지 않은 전면 도전층 위에는 그리드 형태의 집전극을 형성한다(S36). 집전극 위에는 집전극 보호층을 더 형성할 수 있다(S37).
이후, TiO2 다공질층에 염료를 흡착하는 과정을 거친다(S38).
도3b는 후면기판을 제조하는 과정을 설명하고 있다. 도3b에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 후면기판의 제조과정에는 후면기판에 관통홀을 형성하는 과정이 포함되어 있다.
먼저, 도전성 후면 투명기판을 세정한다(S41).
세정된 도전성 후면 투명기판을 레이저를 이용하여 전극을 패터닝하여 도전성 투명 전극을 형성한다(S42).
후면 투명기판에 레이저를 이용하여 전해액 주입홀과 연결전극 관통홀을 형성한다(S43). 여기서, 연결전극 관통홀의 위치는 실링부의 내부 공간과 일치되게 한다. 또한, 전해액 주입홀과 연결전극 관통홀을 형성할 때 파티클이 발생하면, 클리닝 과정을 수반할 수 있다.
이후, 마스크를 이용하여 스프레이 방식으로 촉매전극을 형성한다(S44). 촉매전극이 형성되지 않은 후면 도전층 위에는 그리드 형태의 집전극을 형성한다(S45).
집전극 위에는 집전극 보호층을 더 형성할 수 있다(S46).
도3c는 전면기판과 후면기판을 합착하는 과정을 설명하고 있다. 도3c에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 기판의 합착 과정은, 연결전극 관통홀의 내부로 연결전극을 삽입하는 과정, 연결전극과 다이오드를 연결하기 위한 인출선을 납땜하는 과정, 그리고 필요에 따라 연결전극 관통홀을 채우는 과정을 더 수반할 수 있다.
먼저, 열경화될 수 있는 레진(resin)을 이용하여 실링재를 인쇄한다(S51).
전면기판과 후면기판을 단위셀의 패터닝에 맞추어 합착하고, 레진을 열경화시킨다(S52).
이후, 연결전극 관통홀의 내부로 연결전극을 삽입한다(S53). 연결전극은 열경화성의 도전성 금속, 예를들어 페이스트(paste)나 잉크(ink) 형태의 은(Ag)일 수 있고, 은 페이스트나 은 잉크는 주사기를 이용하여 연결전극 관통홀 내부로 주입되어, 실링부의 내부 공간에 채워진다. 연결전극은 연질의 도전성 금속 펠릿(pellet), 예를들어 인듐(indium) 펠릿이 사용될 수 있으며, 이 경우 인듐 펠릿은 연결전극 관통홀에 삽입된 상태에서 후방 가압되며, 이때 연질의 인듐 펠릿이 실링부의 내부 공간으로 퍼지게 된다.
연결전극이 형성되면, 연결전극과 다이오드를 연결할 인출선을 연결전극에 결합시킨다(S54). 연결전극과 인출선의 연결은 납땜 등을 이용할 수 있다.
연결전극으로 연질의 펠릿을 이용할 경우에는, 인출선이 연결된 연결전극의 관통홀을 채우는 과정을 더 수행할 수 있다. 충진재로는 접착제를 사용될 수 있으며, 접착제로는 열가소성 고분자 필름, 에폭시 수지, 자외선 경화제 등이 있다.
이후, 전해액 주입홀에 전해액을 주입하고(S55), 전해액 주입홀을 봉지한다(S56).
도3c의 제조과정에서, 전해액을 먼저 주입하고, 이후 연결전극을 삽입할 수 있다. 이 경우에는, 전해액이 연결전극 관통홀로 들어가서 전극을 부식시킬 수 있기 때문에, 전해액을 먼저 주입할 경우에는 연결전극 관통홀을 폐쇄하는 과정을 먼저 수행하고 이후 전해액을 주입하는 것이 바람직하다. 폐쇄된 후면기판의 관통홀은 연결전극을 주입하기 위해 다시 개방된다.
도4a,4b는 4개의 단위셀로 구성된 2개의 염료감응 태양전지 모듈에서, 하나에는 하나의 단위셀에 일방향 다이오드를 부착하고 다른 하나는 일방향 다이오드를 부착하지 않은 채, 하나의 단위셀의 광전극면을 마스킹하면서 측정했을 때 나타난 전류-전압 곡선이다. 여기서, A 곡선은 다이오드를 부착하지 않은 모듈의 것이고, B 곡선은 다이오드를 부착한 모듈의 것이다. 일방향 다이오드는 정방향 저항이 380 오옴(Ω)이고, 역방향 저항이 무한대인 것을 사용하였다.
태양전지의 효율은 일정 전압을 인가하면서 전류의 변화를 측정한 그래프를 통해 평가할 수 있다. 같은 전류최대값(Isc) 및 전압최대값(Voc) 상태에서, 전류-전압 곡선의 꺾이는 부분이 전류최대값과 전압최대값을 연결하는 직사각형에 가까울수록 그 효율이 높다고 평가한다. 즉, 전류최대값(Isc), 전압최대값(Voc), 전류-전압 곡선에 접하는 사각형의 최대면적(FF:Fill Factor) 등이 하나라도 높게 나타나면 효율이 향상되었다고 평가할 수 있다.
도4a는 비교되는 2개의 모듈에서 하나의 단위셀을 각각 50% 마스킹한 경우의 전류-전압 곡선들이다. 전류-전압 곡선과 하단 데이터에서, 전압최대값(Voc)와 FF값은 거의 차이가 없지만, 일방향 다이오드를 부착한 모듈의 전류최대값(1.252)이 부착하지 않은 모듈의 전류최대값(1.118)보다 높게 나타난 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는, 일방향 다이오드를 부착한 결과라고 평가할 수 있다.
도4b는 비교되는 2개의 모듈에서 하나의 단위셀을 각각 100% 마스킹한 경우의 전류-전압 곡선들이다. 전류-전압 곡선과 하단 데이터에서, 일방향 다이오드를 부착한 모듈의 전류최대값, 전압최대값, FF가 부착하지 않은 모듈의 전류최대값, 전압최대값, FF보다 상당히 증가한 것을 확인할 수 있다. 특히, FF의 경우, 일방향 다이오드를 부착한 모듈의 FF(30.01)가 부착하지 않은 모듈의 FF(19.72)보다 2배 가까이 증가한 것을 확인할 수 있다. 이같은 결과는, 일방향 다이오드를 부착할 경우, 모듈의 효율이 크게 개선된다는 것은 명백히 보여준다고 결론 내릴 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 설명하기 위한 것이지 권리범위를 한정하고자 한 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 아래의 특허청구범위의 기재에 의하여 결정되어야 한다. 또한, 아래의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상에서 벗어나지 않는 범위에서, 해당 기술분야의 당업자라면 본 발명의 사상을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것으로 예상되며, 그러한 수정 또는 변경은 본 발명의 권리범위 내에 포함될 수 있다.

Claims (11)

  1. 염료감응 태양전지에 있어서,
    다수의 단위셀을 구성하는 패턴 도전층이 형성되는 전면기판 및 후면기판;
    제1 단위셀의 상기 전면기판 상에 형성되는 제1 전면집전극;
    상기 제1 단위셀에 인접하는 제2 단위셀의 상기 후면기판 상에 형성되는 제2 후면집전극;
    상기 제1 단위셀과 상기 제2 단위셀의 사이에 형성되고, 내부에 상기 제1 전면집전극과 상기 제2 후면집전극을 연결하는 공간을 형성하는 실링부;
    상기 실링부에 의해 형성하는 단위셀 간의 절연 공간에 대응되게 상기 후면기판에 관통홀이 구비되고, 상기 관통홀로 삽입되어 상기 제1 전면집전극과 상기 제2 후면집전극을 전기적으로 연결하는 제1 연결전극;
    상기 제1 연결전극에 인접하는 제2 연결전극;
    상기 제1 및 제2 연결전극에 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 인출선: 및
    일단은 상기 제1 인출선에 연결되고 타단은 상기 제2 인출선에 연결되는 일방향 도통소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 일방향 도통소자는
    일방향 다이오드인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 인출선은
    상기 제1 및 제2 연결전극에 각각 납땜되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 연결전극은 상기 관통홀의 내부로 삽입되며, 상기 관통홀의 빈 공간은 충진재로 채워지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 연결전극은
    상기 관통홀에 충만되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  6. 염료감응 태양전지를 제조하는 방법에 있어서,
    전면기판에 단위셀을 구성하는 도전층 패턴, 다공질층, 전면집전극을 형성하는 단계;
    후면기판에 단위셀을 구성하는 도전층 패턴, 전해액 주입홀 및 연결전극 관통홀, 촉매전극, 후면집전극을 형성하는 단계;
    인접하는 단위셀을 실링하는 실링부에 공간이 형성되도록, 열가소성 물질을 개재한 후 상기 전면기판과 상기 후면기판을 합착하는 단계;
    상기 후면기판의 관통홀을 통하여 연결전극을 주입하는 단계;
    상기 연결전극에 인출선을 연결하는 단계;
    상기 인출선에 일방향 도통소자를 연결하는 단계; 및
    상기 후면기판의 전해액 주입홀을 통하여 전해액을 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 인출선 연결단계 후,
    상기 관통홀의 일부를 충진재로 충진하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 제조방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 일방향 도통소자는
    일방향 다이오드인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 제조방법.
  9. 염료감응 태양전지를 제조하는 방법에 있어서,
    전면기판에 단위셀을 구성하는 도전층 패턴, 다공질층, 전면집전극을 형성하는 단계;
    후면기판에 단위셀을 구성하는 도전층 패턴, 전해액 주입홀 및 연결전극 관통홀, 촉매전극, 후면집전극을 형성하는 단계;
    인접하는 단위셀을 실링하는 실링부에 공간이 형성되도록, 열가소성 물질을 개재한 후 상기 전면기판과 상기 후면기판을 합착하는 단계;
    상기 후면기판의 관통홀을 폐쇄하는 단계;
    상기 후면기판의 전해액 주입홀을 통하여 전해액을 주입하는 단계;
    상기 전해액 주입홀을 봉지하는 단계;
    상기 후면기판의 관통홀을 개방하는 단계;
    상기 후면기판의 관통홀을 통하여 연결전극을 주입하는 단계;
    상기 연결전극에 인출선을 연결하는 단계; 및
    상기 인출선에 일방향 도통소자를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 인출선 연결단계 후,
    상기 관통홀의 일부를 충진재로 충진하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 제조방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 일방향 도통소자는
    일방향 다이오드인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 제조방법.
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