KR20120037524A - 염료감응 태양전지 모듈 - Google Patents

염료감응 태양전지 모듈 Download PDF

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Abstract

염료감응 태양전지 모듈이 제공된다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지 모듈은 서로 대향하는 투명기판; 상기 투명기판 각각에 적층되어 서로 대향하는 투명전도성전극; 상기 기판에 서로 대향하도록 적층된 반도체 전극 및 상대전극을 포함하는 단위 셀이 밀봉부재를 통하여 서로 연결된 염료감응 태양전지 모듈로서, 상기 단위 셀의 반도체 전극과 상대전극은 인접하는 셀과 반대 기판에 구비되며, 서로 대항하는 투명전도성 전극은 어느 하나 또는 둘 다 에칭되어 제거된 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 염료 및 그리드에 의한 시각적 효과가 제한되는 종래 기술의 문제를 해결할 수 있다. 또한, 원하는 방향으로의 전류 이동을 발생시킬 수 있으므로, 종래의 염료감응 태양전지에 비하여 보다 우수한 효과를 기대할 수 있다.

Description

염료감응 태양전지 모듈{Dye Sensitized Solar Cell Module}
본 발명은 염료감응 태양전지 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 염료감응 태양전지는 염료 및 그리드에 의한 시각적 효과가 제한되는 종래 기술의 문제를 해결할 수 있고, 원하는 방향으로의 전류 이동을 발생시킬 수 있으므로, 종래의 염료감응 태양전지에 비하여 보다 우수한 효과를 기대할 수 있는 염료감응 태양전지 모듈에 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 기존의 실리콘계 태양전지에 비해 제조단가가 현저히 낮기 때문에 기존의 비정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있으며, 실리콘 태양전지와 달리 염료감응태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.
일반적인 염료감응 태양전지의 단위 셀 구조는 상, 하부 투명한 기판(일반적으로 유리)과 그 투명기판의 표면에 각각 형성되는 투명 도전성 산화물(TCO)로 이루어진 도전성 투명전극을 기본으로 하여, 제1전극(반도체 전극)에 해당하는 일 측의 도전성 투명전극 위에는 그 표면에 염료가 흡착된 전이금속 산화물 다공질 층이 형성되어지고, 제2전극(상대전극)에 해당하는 타 측 도전성 투명전극 위에는 촉매박막전극(주로 백금)이 형성된다. 또한, 상기 전이금속 산화물, 예를 들면 TiO2, 다공질 전극 (반도체 전극 기판)과 촉매박막전극(상대전극 기판) 사이에는 전해질이 충진된다.
즉, 염료감응 태양전지는 빛을 받아 전자를 발생시키는 염료가 부착된 광전극(TiO2) 재료가 코팅된 반도체 전극 기판, 전자를 공급하는 상대전극 기판, 및 두 기판 사이에 충진되며, 산화된 염료에 전자를 공급하여 주는 전해질을 기본구조로 포함한다. 하지만, 이와 같은 염료감응 태양전지의 단위 셀은 실용화를 위해서는 다수의 셀이 집적되는 모듈형태로 구성되는데, 이와 같은 모듈화를 위한 집적방법들 중에는 도 1(Z-타입 직접방식을 도시한 경우임.)에 도시한 바와 같이 이웃하는 셀 사이에 서로 마주보는 대향하는 기판(10a, 10b) 사이에 전기적 연결이 이루어지도록 하는 구성을 가질 수 있다. 이와 같이 이웃하는 셀 사이에 상부 기판과 하부 기판이 전기가 흐르도록 연결하는 배선은 종래에는 은(Ag) 페이스트를 상부 기판 및 하부 기판 각각에 도포하고 이를 중첩시켜 형성하는데(은 그리드, 70), 이러한 공정은 페이스트 사이를 접합함에 따른 접촉저항 발생 및 셀 사이에 균일한 접촉상태를 형성할 수 없는 문제점이 있어서 모듈의 불량률을 높이는 원인이 되고 있다. 또한 Ag와 같은 금속전도체는 전해액과 반응하여 산화되므로 이를 방지하기 위하여 도 1에 도시한 바와 같이 연결전극의 주변으로 절연 보호층을 형성하여야 하는 문제점이 있다. 상기 절연 보호층의 형성에 따라 공정이 더욱 복잡해지고, (일반적으로 유리 frit을 해당부분에 도포하고, 상판 및 하판 결합 후에 이들 도포 영역에 레이저를 조사하여 frit를 국부적으로 용융하여 접합하는 공정을 수행함.) 불량률이 증가하며, 연결전극 부분의 선폭이 증가하여 모듈의 집적도를 떨어뜨리는 문제점이 있다. 또한 그리드 등에 의한 활성 면적이 줄어드는 문제 또한 있다. 따라서, 새로운 방식의 염료감응 태양전지의 모듈 구성이 필요하다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 새로운 구성의 염료감응 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 서로 대향하는 투명기판; 상기 투명기판 각각에 적층되어 서로 대향하는 투명전도성전극; 상기 기판에 서로 대향하도록 적층된 반도체 전극 및 상대전극을 포함하는 단위 셀이 밀봉부재를 통하여 서로 연결된 염료감응 태양전지 모듈로서, 상기 단위 셀의 반도체 전극과 상대전극은 인접하는 셀과 반대 기판에 구비되며, 서로 대항하는 투명전도성 전극은 어느 하나 또는 둘 다 에칭되어 제거된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단위 셀 중 제 1 단위 셀로부터 발생한 전류가 흐르지 않는 방향으로 인접한 제 2 단위 셀에서는 서로 대향하는 투명전도성 전극이 둘 다 에칭되며, 상기 에칭은 상기 제 1 단위 셀과 제 2 단위 셀의 경계선에 중첩하거나 상기 경계선과 소정 간격으로 이격되어, 상기 경계선과 평행한 형태로 수행된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단위 셀 중 제 1 단위 셀로부터 발생한 전류가 흐르는 방향으로 인접한 제 3 단위 셀에서는 서로 대향하는 투명전도성 전극이 어느 하나만 에칭되며, 상기 에칭은 상기 제 1 단위 셀과 제 2 단위 셀의 경계선에 중첩하거나 상기 경계선과 소정 간격으로 이격되어, 상기 경계선과 평행한 형태로 수행된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 모듈은 사각 형태의 단위 셀을 복수 개 포함하며, 복수 개의 행과 열을 포함하는 매트릭스 형태이며, 여기에서 매트릭스의 각 행과 열의 경계선 일부는 대향하는 전도성 전극이 둘 다 에칭되어 제거되며, 나머지 일부는 전도성 전극이 어느 하나만 에칭되어 제거된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈이 제공된다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 염료 및 그리드에 의한 시각적 효과가 제한되는 종래 기술의 문제를 해결할 수 있다. 또한, 원하는 방향으로의 전류 이동을 발생시킬 수 있으므로, 종래의 염료감응 태양전지에 비하여 보다 우수한 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 부분 단면도이다.
도 3은 도 2의 염료감응 태양전지 모듈에 대한 타 방향(전류가 흐르는 방향)에 대한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 평면도이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명은 금속 그리드의 사용 없이 단위 셀을 모듈로 구성하는 염료감응 태양전지를 제공하며, 특히 기판상에 구비된 투명전도성 전극을 선택적으로 에칭하여, 투명 전도성 전극으로 통한 전도성 통로를 선택적으로 차단시킴으로써, 모듈에서의 전류 흐름을 원하는 방향으로 유도한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 부분 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지는 이웃하는 단위 셀의 반도체 전극(30)과 상대전극(40)이 서로 반대 기판에 구비되는, 소위 W 타입의 모듈 구성을 갖는다. 일반적으로 W 타입의 모듈은 밀봉부재(80)에 의하여 단위 셀이 정의되며, 상기 밀봉부재(80) 하부의 전도성 전극을 통하여 전류가 흐르게 된다. 이때 두 기판(10a, 10b) 중 어느 하나의 전도성 전극을 인접하는 단위 셀에서 에칭시킴으로써 인접 단위 셀의 동일 전극 간 쇼트 문제를 방지한다. 본 발명은 이러한 W 타입 모듈의 경우 종래의 일 방향으로 연장된 Z 타입과 사실상 동일한 구성을 가지며, 사실상 전류 흐름이 일률적으로 측면(단위 셀의 측면)으로만 진행되는 문제점에 주목하였다. 따라서, 본 발명은 전류의 일 방향 유도를 위하여 원하지 않는 방향으로 인접한 단위 셀에서는 두 기판(10a, 10b)의 투명 전도성 전극(20a, 20b)의 일 지점(e1, e2)를 모두 에칭하여, 전류 흐름을 차단시키는 기술 구성을 제공한다. 상기 일 지점(e1, e2)은 상기 밀봉부재와 동일 위치이거나, 상기 밀봉부재로부터 소정 간격으로 이격된 지점이 될 수 있다. 만약, 상기 일 지점이 상기 밀봉부재(80)와 동일 위치인 경우, 상기 밀봉부재(80)는 에칭 지점에서 아래의 투명기판(10a, 10b)와 접촉하게 된다. 도 2에서는 밀봉부재(80)가 기판 아래까지 연장된 형태를 나타내지만, 이와 달리 밀봉부재로부터 이격된 별도의 에칭 지점을 정하여, 투명전도성 전극을 에칭, 제거할 수 있다.
상기 에칭 지점(e1, e2)는 적어도 대향하는 두 기판에서 동일 위치(즉, 수직으로 보았을 때 중첩되는 위치)인 것이 바람직하며, 이러한 중첩되는 위치를 통하여 상하 기판에서 동일한 전류 생성 효과를 발생시킬 수 있으며, 이는 특히 단위 셀의 반도체 전극이 서로 교차하는 W 타입에서는 특히 중요하다.
도 3은 도 2의 염료감응 태양전지 모듈에 대한 타 방향(전류가 흐르는 방향)에 대한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 대향하는 투명전도성산화물층(TCO, 20a, 20b)은 단위 셀 내에서 어느 하나만이 선택적으로 에칭되며, 이로써 전류는 인접 셀로 흐르게 된다.
상술한 본 발명의 기본 구성을 통하여 다양한 모듈 형성이 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 평면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 단위 셀(110a, 110b, 110c)은 사각 형태로서, 인접하는 단위 셀과 2개의 면에서 연결된다. 특히 본 발명의 일 실시예에서는 제 1 단위 셀(110a)과 인접하는 두 개의 단위 셀 중 전류 흐름을 차단하고자 하는 제 2 단위 셀(110c) 방향으로, 서로 대향하는 투명전도성 전극은 모두 에칭되어 제거된다. 이때 상기 에칭은 제 1 단위 셀(110a)과 제 2 단위 셀(110c)의 경계선과 중첩하거나, 적어도 상기 경계선으로부터 소정 간격만큼 이격되어, 상기 경계선에 평행하는 선형일 수 있다. 이러한 투명전도성 전극의 에칭, 제거를 통하여 제 1 단위 셀(110a)에서 발생한 전류는 제 2 단위 셀(110c)로 흐르지 않게 된다. 반면, 우측으로 인접한 제 3 단위 셀(110b)은 기판상에 적층된 투명 전도성 전극 중 어느 하나만이 에칭되며, 에칭되지 않은 투명 전도성 전극을 통하여 제 1 단위 셀(110a)에서 발생한 전류가 인접 제 2 단위 셀(110b)로 흐르게 된다. 도 4에서는 수직으로 보았을 때 서로 중첩하며, 대향하는 전도성 전극이 모두 에칭, 제거된 에칭선을 도면 부호 120으로, 어느 하나만 에칭되어 전류가 흐를 수 있는 에칭선을 도면 부호 121로 표시하였다. 또한, 상기 에칭선은 각 단위 셀의 경계선(즉, 밀봉부재가 구비되는 위치)와 동일하거나, 또는 소정 간격만큼 이격될 수 있으며, 적어도 투명전도성 전극을 선택적으로 둘 다 또는 어느 하나만 에칭하여, 셀 간 전류 흐름을 제어한 경우라면, 모두 본 발명의 범위에 속한다.
도 4를 다시 참조하면, 도 4에서 A-A' 방향으로의 단면도는 도 1에 도시되었고, 도 4에서 B-B' 방향으로의 단면도는 도 2에 도시된 바와 같다. 따라서, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 단위 셀의 전극이 서로 교차 반복하는 염료감응 태양전지 모듈에 있어서, 인접 단위 셀의 전도성 전극을 선택적으로 모두 또는 일부만 에칭, 제거하여 전류 흐름을 원하는 방향으로 유도하며, 이로써 일 방향으로 연장된 염료감응 태양전지 이외에 다양한 형태(예를 들면, 바둑판과 같은 사각 형태의 단위 셀 구조)의 모듈형 염료감응 태양전지가 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 평면도이다.
도 5를 참조하면, 사각형태의 단위 셀이 전체적으로 하나의 모듈을 구성하며, 각 단위 셀의 투명전도성 전극의 에칭선 수는 전류 흐름 방향에 따라 달리 구성된다. 즉, 도 5에 따르면, 상기 염료감응 태양전지 모듈은 사각 형태의 단위 셀을 복수 개 포함하며, 상기 모듈의 복수 개의 행과 열을 포함하는 매트릭스 형태를 이룬다. 이는 종래의 선형의 단위 셀이 나란히 연결되던 종래 기술에서는 볼 수 없는 새로운 염료감응 태양전지 구성이다. 또한, 도 5에 따르면, 상기 매트릭스의 각 행과 열(즉, 단위 셀의 행과 열에 해당함) 경계선 일부에서는 서로 대향하는 전도성 전극이 둘 다 에칭되어 제거된다. 이로써 단위 셀에서 생성된 전류는 해당 경계선 영역을 넘어서 흐를 수 없게 된다. 또한, 상기 경계선의 나머지 일부에서는 전도성 전극이 어느 하나만 에칭되어 제거된다. 따라서, 제거되지 않은 전도성 전극을 통하여 전류는 흐르게 된다. 도 5에서는 제 1 에칭선(120)은 대향하는 두 투명전도성 전극이 모두 에칭된 위치에 대응하며, 여기에서 상기 위치는 대향하는 두 기판의 동일 지점(즉, 수직 방향에서의 동일 지점)이어야 한다. 반면, 또 다른 에칭선(121)은 대향하는 기판상에 적층된 투명전도성 전극 중 어느 하나만 에칭된 선에 해당한다. 따라서, 단위 셀에서 생성된 전류는 121 에칭선을 통하여 인접 셀로 전류가 흐르게 된다.
이러한 구성을 통하여 염료감응 태양전지가 가지는 모듈 구성의 한계를 극복할 수 있는데, 예를 들면, 전류 흐름 방향을 선택적으로 제어할 수 있고, 그리드를 사용하지 않음으로써 수광 면적을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 실시예에 의해 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적인 사상을 가지고 있다면 모두 본 발명의 권리범위에 해당된다고 볼 수 있으며, 본 발명은 특허청구범위에 의해 권리범위가 정해짐을 밝혀둔다.
10a, 10b: 기판
20a, 20b: 투명전도성전극
30: 촉매층 40: 전해질
50: 반도체 전극 60: 밀봉부재
70: 그리드 110a, b, c: 단위 셀
120, 121: 에칭라인

Claims (6)

  1. 서로 대향하는 투명기판; 상기 투명기판 각각에 적층되어 서로 대향하는 투명전도성전극; 상기 기판에 서로 대향하도록 적층된 반도체 전극 및 상대전극을 포함하는 단위 셀이 밀봉부재를 통하여 서로 연결된 염료감응 태양전지 모듈로서, 상기 단위 셀의 반도체 전극과 상대전극은 인접하는 셀과 반대 기판에 구비되며, 서로 대항하는 투명전도성 전극은 어느 하나 또는 둘 다 에칭되어 제거된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단위 셀 중 제 1 단위 셀로부터 발생한 전류가 흐르지 않는 방향으로 인접한 제 2 단위 셀에서는 서로 대향하는 투명전도성 전극이 둘 다 에칭된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 에칭은 상기 제 1 단위 셀과 제 2 단위 셀의 경계선에 중첩하거나 상기 경계선과 소정 간격으로 이격되어, 상기 경계선과 평행하는 형태로 수행된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 단위 셀 중 제 1 단위 셀로부터 발생한 전류가 흐르는 방향으로 인접한 제 3 단위 셀에서는 서로 대향하는 투명전도성 전극이 어느 하나만 에칭된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 에칭은 상기 제 1 단위 셀과 제 2 단위 셀의 경계선에 중첩하거나 상기 경계선과 소정 간격으로 이격되어, 상기 경계선과 평행하는 형태로 수행된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모듈은 사각 형태의 단위 셀을 복수 개 포함하며, 복수 개의 행과 열을 포함하는 매트릭스 형태이며, 여기에서 매트릭스의 각 행과 열의 경계선 일부는 대향하는 전도성 전극이 둘 다 에칭되어 제거되며, 나머지 일부는 전도성 전극이 어느 하나만 에칭되어 제거된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈.
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