KR20120074473A - 광전변환장치 - Google Patents

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KR20120074473A
KR20120074473A KR1020100136318A KR20100136318A KR20120074473A KR 20120074473 A KR20120074473 A KR 20120074473A KR 1020100136318 A KR1020100136318 A KR 1020100136318A KR 20100136318 A KR20100136318 A KR 20100136318A KR 20120074473 A KR20120074473 A KR 20120074473A
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주성훈
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엘지디스플레이 주식회사
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Abstract

본 발명은 전해질의 상태변화에 따른 광전변환효율 저하 및 수명 감소를 방지할 수 있는 광전변환장치를 제공하기 위한 것으로, 광에너지에 의해 산화하여 전자를 방출하는 염료 및 산화-환원반응에 의해 산화된 염료를 환원시키는 전해질을 포함하여, 상기 광에너지를 변환하여 전기에너지를 생성하는 염료감응 광전패널; 상기 염료감응 광전패널에서 생성된 상기 전기에너지를 축적하고, 상기 전기에너지의 축적량을 나타내는 광전상태신호를 생성하는 로드; 상기 염료감응 광전패널에 포함된 상기 전해질의 상태를 측정하여 전해질상태신호를 생성하는 전해질상태측정부; 상기 광전상태신호 및 상기 전해질상태신호를 이용하여, 제어신호를 생성하는 제어부; 상기 제어신호에 응답하여 상기 염료감응 광전패널에 전해질을 공급하는 전해질공급부; 및 상기 제어신호에 응답하여 상기 염료감응 광전패널의 전해질을 폐기하는 전해질배출부를 포함하는 광전변환장치를 제공한다.

Description

광전변환장치{PHOTOVOLTAIC TRANSDUCER APPARATUS}
본 발명은 산화-환원 반응을 이용하여 광에너지를 전기에너지로 변환하는 광전변환장치에 관한 것이다.
광전변환장치는 광기전력효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 여기서, 광기전력효과는 반도체의 p-n접합면, 금속-반도체의 경계면, 전해질 및 염료 등에 입사된 광에너지에 의해 전자-정공쌍(electron hole pairs)이 발생되고, 이때 전자와 정공이 서로 반대방향으로 이동함에 따라 광기전력이 발생되는 현상을 지칭한다.
특히, 태양광에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지는 무공해 에너지원으로써, 지구온난화의 원인인 이산화탄소를 발생시키는 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료를 대체할 차세대 친환경 재생에너지 중 하나로 지목되고 있다.
이러한 태양전지는 광전층으로 선택되는 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 CIGS/CIS 태양전지는 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 화합물/구리, 인듐, 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. 실리콘 태양전지는, 실리콘 태양전지는 비정질 실리콘(Amorphous Silicon)으로 광전층을 형성한 것으로, 용이하게 취득될 수 있고 인체유해성이 없는 실리콘을 기반으로 하고 있어, 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 그리고, 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, 용이하게 유연성을 갖는 구조로 제작될 수 있는 장점이 있다.
일반적으로 염료감응 태양전지는 서로 대향하는 제1 전극과 제2 전극, 제1 전극과 제2 전극을 합착하여 제1 전극과 제2 전극 사이의 광전영역을 정의하는 실링층, 제1 전극 상의 광전영역에 형성되는 염료활성층 및 광전영역 내에 충진되는 전해질을 포함한다. 여기서, 염료활성층은 광을 투과하는 제1 전극 상에 나란하게 적층되는 복수의 나노입자 및 복수의 나노입자 각각의 표면에 흡착되는 염료(DYE)를 포함한다.
이러한 염료감응 태양전지는, 제1 전극을 투과한 광에너지를 밴드갭에너지 이상으로 흡수하여 나노입자 표면의 염료가 산화하는 과정, 염료의 산화로 발생된 전자가 제1 전극 및 외부로드를 거쳐 제2 전극 측으로 이동하는 과정, 제2 전극에 도달된 전자에 의해 전해질에서 산화-환원반응이 발생되는 과정 및 전해질에서 발생된 전자에 의해 산화된 염료가 환원되는 과정을 포함하는 일련의 과정들을 반복하여, 광에너지를 전기에너지로 변환한다.
그런데, 염료감응 태양전지가 오랜 시간 동안 외부환경에 의해 노출되면, 광전영역을 밀봉하는 실링층의 내구성이 약해져서, 실링층에 빈틈이 발생하게 된다.
이러한 실링층의 빈틈에 의해 광전영역 내부로의 수분 침투 및 전해질의 누수가 발생되어 광전영역 내부의 전해질 농도가 옅어지게 된다. 이에 따라, 전해질에서 산화-환원반응이 발생되는 과정 및 전해질에서 발생된 전자에 의해 산화된 염료가 환원되는 과정이 원활히 이루어질 수 없게 되어, 소자의 광전변환 효율(여기서, "광전변환효율"은 소자로 입사된 광에너지가 전기에너지로 변환되는 비율을 의미함)이 저하될 뿐만 아니라, 소자의 수명이 짧아지는 문제점이 있다.
본 발명은, 전해질 상태변화에 따른 광전변환효율 저하 및 수명 감소를 방지할 수 있는 광전변환장치를 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 광에너지에 의해 산화하여 전자를 방출하는 염료 및 산화-환원반응에 의해 산화된 염료를 환원시키는 전해질을 포함하여, 상기 광에너지를 변환하여 전기에너지를 생성하는 염료감응 광전패널; 상기 염료감응 광전패널에서 생성된 상기 전기에너지를 축적하고, 상기 전기에너지의 축적량을 나타내는 광전상태신호를 생성하는 로드; 상기 염료감응 광전패널에 포함된 상기 전해질의 상태를 측정하여 전해질상태신호를 생성하는 전해질상태측정부; 상기 광전상태신호 및 상기 전해질상태신호를 이용하여, 제어신호를 생성하는 제어부; 상기 제어신호에 응답하여 상기 염료감응 광전패널에 전해질을 공급하는 전해질공급부; 및 상기 제어신호에 응답하여 상기 염료감응 광전패널의 전해질을 폐기하는 전해질배출부를 포함하는 광전변환장치를 제공한다.
본 발명에 따른 광전변환장치는 전해질상태측정부 및 로드에 감지된 염료감응 광전패널에 포함되는 전해질의 상태가 초기와 달라지면, 전해질공급부 또는 전해질배출부를 통해, 염료감응 광전패널에 전해질의 공급하거나 또는 염료감응 광전패널의 기존의 전해질을 폐기한다.
이에 따라, 오랜 시간동안 외부 환경에 노출되더라도, 염료감응 광전패널이 초기와 같이 일정한 상태의 전해질을 포함할 수 있어, 전해질의 상태변화에 따른 광전변환효율의 감소를 최소화할 수 있고, 종래보다 연장된 수명을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광전변환장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 염료감응 광전패널을 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 서브모듈을 나타낸 투과평면도이다.
도 4는 도 3의 A-A'를 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 3의 B-B'를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광전변환장치의 초기 광전변환특성과 120시간 이후의 광전변환특성을 비교예와 함께 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 광전변환장치에 대하여, 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광전변환장치를 나타낸 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광전변환장치(10)는 염료 및 전해질을 포함하여, 광에너지를 변환하여 전기에너지를 생성하는 염료감응 광전패널(100), 염료감응 광전패널(100)에서 생성된 전기에너지를 축적하고, 전기에너지의 축적량을 나타내는 광전상태신호를 생성하는 로드(200, Load), 염료감응 광전패널(100)에 포함된 전해질의 상태를 측정하여 전해질상태신호를 생성하는 전해질상태측정부(300), 광전상태신호 및 전해질상태신호를 이용하여 제어신호를 생성하는 제어부(400), 제어신호에 응답하여 염료감응 광전패널(100)에 전해질을 공급하는 전해질공급부(500) 및 제어신호에 응답하여 염료감응 광전패널(100)의 전해질을 폐기하는 전해질배출부(600)를 포함한다.
염료감응 광전패널(100)은 광에너지를 밴드갭에너지 이상으로 흡수하면 산화되어 전자를 생성하는 염료와 산화-환원반응하여 산화된 염료를 환원시키는 전해질을 각각 포함하는 복수의 셀(도 3 내지 도 4에서 C1-C4로 도시함)을 포함하여 이루어진다. 이때, 복수의 셀은 적어도 하나의 서브모듈(도 2에서 110, SM으로 도시함)로 구분된다. 복수의 셀 각각은, 염료가 광에너지를 밴드갭에너지 이상으로 흡수하여 산화하면서 전자를 생성하는 과정, 전자가 로드(200)를 거쳐 전해질로 주입되는 과정, 전자에 의해 전해질이 산화-환원반응하여, 산화된 염료를 환원시키는 과정 등을 포함하는 일련의 과정들을 반복하여, 광에너지를 전기에너지로 변환한다. 이러한 염료감응 광전패널(100)에 대해서는 이하에서 더욱 상세히 설명하기로 한다.
로드(200)는 염료감응 광전패널(100)과 연결되어 폐회로를 형성한 상태에서, 염료감응 광전패널(100)에서 생성된 전기에너지를 축적한다. 그리고, 로드(200)는 전기에너지의 축적량을 나타내는 광전상태신호를 생성하여, 이를 제어부(400)로 전송한다.
전해질상태측정부(300)는 염료감응 광전패널(100)에 포함된 전해질의 상태를 측정하여 전해질상태신호를 생성하여, 이를 제어부(400)로 전송한다. 이때, 전해질상태측정부(300)는, 염료감응 광전패널(100)에 포함된 전해질의 농도를 측정하여 전해질의 농도를 나타내는 제1 정보 또는 염료감응 광전패널(100)에 포함된 전해질의 양을 측정하여 전해질의 양을 나타내는 제2 정보를 포함하는 전해질상태신호를 생성할 수 있다. 즉, 전해질상태신호는 제1 정보와 제2 정보 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 또는 제1 정보와 제2 정보를 모두 포함할 수도 있다.
한편, 염료감응 광전패널(100)에서 전해질의 누수가 발생되면, 전해질의 누수된 양 만큼 염료감응 광전패널(100)의 전체 무게가 감소될 것으로 예측될 수 있다. 이에 따라, 전해질의 누수된 양은 염료감응 광전패널(100)의 전체 무게가 감소된 양으로부터 측정될 수 있으므로, 제2 정보는 염료감응 광전패널(100)의 전체 무게에 대응되는 값으로 설정될 수 있다.
제어부(400)는 주기적으로 광전상태신호 및 전해질상태신호를 입력받고, 광전상태신호 또는 전해질상태신호를 이용하여 전해질공급부(500) 또는 전해질배출부(600)를 턴온하는 제어신호를 생성한다.
즉, 로드(200)로부터 입력된 광전상태신호의 단위시간당 변화율이 제1 기준값보다 낮으면, 제어부(400)는 전해질공급부(500) 또는 전해질배출부(600)를 턴온하는 제어신호를 생성한다. 이때, 제1 기준값은 초기의 염료감응 광전패널(100)(본 명세서에서, "초기"는 염료감응 광전패널(100)이 외부 환경에 노출되는 시기 또는 제조된 시기를 의미함)에 의해 생성되는 단위시간당 전기에너지의 양으로 설정될 수 있다.
특히, 광전상태신호의 단위시간당 변화율이 제1 기준값보다 낮아지는 것은, 염료감응 광전패널(100)에 포함된 전해질이 초기보다 낮은 농도 또는 적은 양을 갖게 된 까닭이라고 예측될 수 있다. 이에 따라 제어부(400)는 염료감응 광전패널(100)에 포함된 낮은 농도 또는 적은 양의 전해질을 보완하기 위하여, 전해질공급부(500)와 전해질배출부(600)를 모두 턴온하는 제어신호를 생성할 수 있다.
또는, 전해질상태측정부(300)로부터 입력된 전해질상태신호의 제1 정보가 제2 기준값보다 낮으면, 제어부(400)는 전해질공급부(500) 또는 전해질배출부(600)를 턴온하는 제어신호를 생성한다. 이때, 제2 기준값은 염료감응 광전패널(100)에 포함된 전해질의 초기 농도로 설정될 수 있다. 즉, 염료감응 광전패널(100)에 포함된 초기보다 낮은 농도의 전해질에 대응하여, 제어부(400)는 전해질공급부(500)만을 턴온하는 제어신호를 생성할 수 있고, 또는 전해질공급부(500)와 전해질배출부(600)를 모두 턴온하는 제어신호를 생성할 수도 있다.
또는, 전해질상태측정부(300)로부터 입력된 전해질상태신호의 제2 정보가 제3 기준값보다 낮으면, 제어부(400)는 전해질공급부(500)를 턴온하는 제어신호를 생성한다. 이때, 제3 기준값은 초기의 염료감응 광전패널(100)이 포함하는 전해질의 양으로 설정될 수 있다. 즉, 전해질의 누수 및 기화 등으로 인하여, 염료감응 광전패널(100)이 초기보다 적은 양의 전해질을 포함하거나 또는 염료감응 광전패널(100)이 초기보다 낮은 무게를 가지면, 제어부(400)는 전해질공급부(500)를 턴온하는 제어신호를 생성한다.
전해질공급부(500)는 전해질을 수용하는 수용부(미도시)와 제어신호에 응답하여 수용부의 전해질을 염료감응 광전패널(100)로 공급하는 펌프(미도시)를 포함한다. 이러한 전해질공급부(500)는 제어부(400)로부터 인가된 턴온의 제어신호에 응답하여, 염료감응 광전패널(100)에 새로운 전해질을 주입한다.
전해질배출부(600)는 제어신호에 응답하여 염료감응 광전패널(100)의 전해질을 뽑아내는 펌프(미도시)와 펌프(미도시)를 통해 배출되는 폐기전해질을 수용하는 수조(미도시)를 포함한다. 이러한 전해질배출부(600)는 제어부(400)로부터 인가된 턴온의 제어신호에 응답하여, 염료감응 광전패널(100)에 포함된 전해질을 뽑아내어 폐기한다.
즉, 전해질공급부(500)와 전해질배출부(600)가 동시에 턴온하면, 염료감응 광전패널(100)의 전해질이 폐기됨과 동시에 염료감응 광전패널(100)에 새로운 전해질이 주입됨으로써, 염료감응 광전패널(100)이 되도록 빠른 시간 내에 초기와 동일한 상태의 전해질을 포함할 수 있다.
다음, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 광전패널(100)에 대해 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 염료감응 광전패널을 나타낸 블록도이고, 도 3은 도 2에 도시된 서브모듈을 나타낸 투과평면도이다. 그리고, 도 4는 도 3의 A-A'를 나타낸 단면도이고, 도 5는 도 3의 B-B'를 나타낸 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 염료감응 광전패널(100)은 로드(200)와 연결되어 폐회로를 형성하는 다수의 서브모듈(110, SM: SubModule)을 포함한다. 이때, 다수의 서브모듈(110, SM) 각각은 적어도 하나의 셀(Cell, 도 2에서 미도시, 도 4에서 "C1-C4"에 해당됨)을 포함하고, 각 셀(도 4에서 "C1-C4")은 염료와 전해질을 각각 포함하여, 광에너지를 전기에너지로 변환한다. 이에, 염료감응 광전패널(100)은 다수의 서브모듈(110, SM) 각각에 포함되는 적어도 하나의 셀을 포함하므로, 결국 복수의 셀을 포함한다.
그리고, 염료감응 광전패널(100)은 전해질공급부(500)와 연결되어 전해질공급부(500)의 전해질이 주입되는 통로로 형성되는 전해질주입구(120), 전해질배출부(600)와 연결되어 다수의 서브모듈(110, SM)에 포함되는 복수의 셀의 전해질이 배출되는 통로로 형성되는 전해질배출구(130), 전해질주입구(120) 및 전해질배출구(130)와 연결되고 복수의 서브모듈(110, SM) 사이에 전해질의 이동경로로 형성되는 채널(140)을 더 포함한다. 이때, 채널(140)은 복수의 서브모듈(110, SM) 사이 뿐만 아니라, 도 3에 도시된 바와 같이, 각 서브모듈(110) 에 포함되는 적어도 하나의 셀 사이에도 전해질의 이동경로로 형성된다.
이와 같이, 염료감응 광전패널(100)은 전해질주입구(120) 및 전해질배출구(130)를 포함하여, 전해질공급부(500)로부터 새로운 전해질을 공급받고, 전해질배출부(600)로 기존의 전해질을 배출한다.
그리고, 전해질주입구(120)를 통한 새로운 전해질의 공급 또는 전해질배출구(130)를 통한 기존의 전해질의 배출이 발생하면, 염료감응 광전패널(100) 내부의 전해질은 채널(140)을 통해 순환될 수 있다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 각 서브모듈(110)은 대면합착되는 제1 기판(US: Upper Substrate)과 제2 기판(BS: Bottom Substrate), 및 제1 기판(US)과 제2 기판(BS) 사이에 형성되는 적어도 하나의 셀(C1-C4)을 포함한다. (이때, 도 3 내지 도 5는 각 서브모듈(110)이 4개의 셀(C1-C4)을 포함하는 것으로 도시함)
도 3에 도시된 바와 같이, 각 셀(C1-C4)은 제1 기판(US)과 제2 기판(BS) 사이의 광전영역(AZ: Active Zone) 내에 형성되는 염료활성층(111)과, 광전영역(AZ) 내에 충진되는 전해질(112)을 포함한다. 이때, 각 셀의 광전영역(AZ)은 제1 기판(US)과 제2 기판(BS) 사이에 형성되어 제1 기판(US)과 제2 기판(BS)을 합착하는 실링층(113)에 의해 정의된다.
각 서브모듈(110)에 있어서, 적어도 하나의 셀(C1-C4)은 실링층 사이에 형성되는 내부커넥터(114)를 통해 이웃한 다른 셀과 직렬 연결된다. 이러한 내부커넥터(114)는 은(Ag)으로 선택될 수 있다.
그리고 적어도 하나의 셀(C1-C4) 중 이웃한 셀 사이에 형성된 채널(140)을 통해 전해질이 이동될 수 있다. 즉, 채널(140)은 이웃한 서브모듈(110, SM) 사이 및 이웃한 셀(C1-C4) 사이에서 전해질이 이동될 수 있도록 형성된다.
다음, 각 서브모듈(110)에 포함되는 적어도 하나의 셀(C1-C4)에 대하여 설명한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 서브모듈(110)에 포함되는 적어도 하나의 셀(C1-C4) 각각은, 제1 기판(US) 상에 형성되는 제1 전극(115), 제1 전극(115)에 대응하여 제2 기판(BS) 상에 형성되는 제2 전극(116), 제1 전극(115)과 제2 전극(116) 사이의 광전영역(AZ)을 정의하는 실링층(113), 제1 전극(115) 상의 광전영역(AZ) 내에 나란하게 배열되는 나노입자(111a)들과 나노입자들의 표면에 흡착되는 염료(111b)를 포함하여 형성되는 염료활성층(111), 염료활성층(111)을 포함한 광전영역(AZ) 내에 충진되는 전해질(112) 및 제2 전극(116) 상에 형성되어 광전영역(AZ) 내에 충진된 전해질(112)의 산화-환원반응을 촉진하는 가속층(117)을 포함한다.
여기서, 이웃한 셀의 실링층(113) 사이에는 이웃한 셀의 제1 전극(115)과 제2 전극(116) 중 서로 다른 하나와 연결되어, 적어도 하나의 셀(C1-C4)을 직렬 연결시키는 내부커넥터(114)가 형성된다. 즉, 제1 셀(C1)과 제2 셀(C2) 각각의 실링층(113) 사이에 형성되는 내부커넥터(114)는 제1 셀(C1)의 제2 전극(116)과 제2 셀(C1)의 제1 전극(115)에 연결되고, 제2 셀(C2)과 제3 셀(C3) 각각의 실링층(113) 사이에 형성되는 내부커넥터(114)는 제2 셀(C2)의 제1 전극(115)과 제3 셀(C3)의 제2 전극(115)에 연결되며, 제3 셀(C3)과 제4 셀(C) 각각의 실링층(113) 사이에 형성되는 내부커넥터(114)는 제3 셀(C3)의 제2 전극(116)과 제4 셀(C4)의 제1 전극(115)에 연결된다. 이러한 내부커넥터(114)에 의해, 적어도 하나의 셀(C1-C4)이 직렬로 연결된다.
적어도 하나의 셀(C1-C4) 각각에서, 제1 전극(115)은 광에너지에 반응하여 염료활성층(111)에서 생성된 전자를 로드(200)로 이동시키는 애노드(Anode)이다. 그리고, 제1 전극(115)의 상면은 염료활성층(111)의 형성을 위하여 적절한 수준의 헤이즈(haze)를 갖는다.
제2 전극(116)은 외부로드(200)로부터 전자가 인가되는 캐소드(Cathode)이다. 그리고, 제2 전극(116)은 반사성을 갖는 재료로 형성되어, 광전영역(AZ)을 투과한 광을 다시 광전영역(AZ) 내부로 반사시켜서, 광전영역(AZ)에서의 광흡수율을 증가시킬 수 있다.
이러한, 제1 전극(115)과 제2 전극(116)은 광전영역(AZ) 내에 충진되는 전해질(112)과 접하므로, 전해질에 의해 산화되는 것이 최소화될 수 있도록, 높은 내산성을 갖는 재료로 선택된다. 또한, 제1 전극(115)과 제2 전극(116)을 이동하는 전하의 손실이 최소화되도록, 제1 전극(115)과 제2 전극(116)은 낮은 저항 및 높은 전하이동도에 해당하는 우수한 전기적특징을 갖는 도전성 재료로 선택된다. 예를 들어, 제1 전극(115)과 제2 전극(116) 각각은 불소(F: Fluorine)가 도핑된 주석산화물(SnO2)(F-doped SnO2: FTO), 주석(Tin, Sn)이 도핑된 인듐산화물(In2O3)(ITO) 및 아연산화물(ZnO) 중 어느 하나로 선택될 수 있다.
가속층(117)은 외부로드(200)로부터 인가된 전자에 의한 전해질(112)의 산화-환원반응 속도를 증가시키는 산화-환원 반응 촉매(catalyst)로 형성된다. 이러한 가속층(117)은 백금(Pt)으로 선택될 수 있다.
염료활성층(111)은 제1 전극(115) 상의 광전영역(AZ)에 나란하게 배열되는 복수의 나노입자(111a) 및 복수의 나노입자(111a) 각각의 표면에 흡착되어 형성되는 염료(111b, DYE)를 포함한다.
복수의 나노입자(111a) 각각은 나노크기(nano scale)의 입체 형상을 띄고, 밴드갭(band-gap)에너지가 큰 산화물로 형성된다. 예를 들어, 나노입자(111a)는 주로 실리콘산화물(SiO2), 주석산화물(SnO2) 및 티타늄산화물(TiO2) 중 하나로 선택될 수 있고, 특히 카본블랙(carbon black)보다 도전성이 높고 전자의 유지시간이 긴 것으로 알려져 있는 티타늄산화물(TiO2)로 선택될 수 있다.
그리고, 나노입자(111a)는 10 내지 20nm의 직경을 갖는 구 형상을 가질 수 있다. 만약, 나노입자(111a)가 20nm를 초과하는 직경으로 형성되는 경우, 나노입자(111a) 표면에 흡착되는 염료(111b)의 수가 감소되므로, 광에너지에 의해 염료활성층(111)에서 생성되는 전자가 감소되어, 소자의 광전변환효율이 저하될 수 있다. 그리고, 나노입자(111a)가 10nm 미만의 직경으로 형성되는 경우, 나노입자(111a) 표면에 흡착되는 염료(111b)의 수가 증가하여, 광에너지에 의해 염료활성층(111)에서 생성되는 전자가 증가될 수 있는 동시에, 표면상태 수가 증가하여 광에너지에 의해 발생된 전자(excited electron)가 재결합할 수 있는 산화된 염료(111b)도 증가되므로, 결국 제1 전극(115)을 탈출하는 전자수가 감소됨으로써, 소자의 광전변환효율이 저하될 수 있다.
이 뿐만 아니라, 나노입자(111a)는 제1 전극(115)으로 이동하는 전자의 경로를 제공하고, 나노입자(111a)의 크기에 따라 염료(111b)의 양이 달라지므로, 나노입자(111a)의 형태, 배치 및 크기 등은 광전변환 효율에 영향을 미치는 변수가 된다.
염료(111b)는 광에너지에 반응하면 산화되어 전자를 방출하고, 복수의 나노입자(111a) 표면에 화학적으로 견고하게 결합될 수 있으며, 열적 및 광학적으로 안정적인 물질로 형성된다. 즉, 염료(111b)는 비교적 작은 밴드갭 에너지를 갖는 재료로 이루어져서, 염료(111b) 자체의 밴드갭 에너지(Eg)를 극복할 수 있을 정도의 광에너지를 흡수하면, 가전자대(valence band)의 전자가 여기상태로 전환되고 여기된 전자가 전자 전도대(conduction band)로 천이한다. 이와 같이 산화된 염료(111b)로부터 발생된 전자는 나노입자(111a)의 표면을 따라 제1 전극(115)으로 이동한다.
이러한 염료(111b)는 루테늄계 유기금속화합물, 유기화합물, InP(Indium Phospide, 인듐인), CdSe(Cadmium selenide, 셀레늄화카드뮴) 중 하나로 선택될 수 있고, 주로 루테늄계 유기금속화합물(N719, cis-di(thiocyanato)-bis(2,2'-bipyridyl-4-carboxylate-4'-carboxylic acid)-ruthenium(II))로 선택된다.
이러한 염료활성층(111)은 제1 전극(115) 상에 나노입자(111a)을 함유한 액상재료를 도포한 후, 이를 경화하여, 제1 전극(115) 상의 광전영역(AZ)에 나란하게 배열되는 복수의 나노입자(111a)를 형성하는 과정과, 복수의 나노입자(111a)를 염료(111b) 재료에 담가, 복수의 나노입자(111a) 각각의 표면에 염료(111b)를 흡착시킨 후, 이를 건조시키는 과정을 통해 형성된다.
전해질(112)은 전해질 주입구(120) 및 채널(140)을 통해 이동하여, 각 셀(C1-C4)의 광전영역(AZ) 내에 충진된다. 이때, 액상의 전해질(160) 및 광전영역(AZ) 내부와 외부 사이의 기압 차이를 이용함으로써, 광전영역(AZ) 내의 전해질 확산도가 향상되도록 한다.
그리고, 전해질(112)은 제2 전극(116)으로 이동한 전자에 반응하여, 산화-환원 반응이 일어나는 산화-환원 이온종을 포함하는 재료로 이루어진다. 즉, 산화-환원 이온 종을 포함하는 전해질(112)은 외부로드(200)에서 제2 전극(116)으로 인가된 전자에 반응하여, 산화-환원 반응으로 전자를 생성하고, 이때 전해질(112)에서 생성된 전자는 염료활성층(111) 측으로 이동하여 광에너지에 의해 산화된 염료(111b)와 만나서, 산화된 염료(111b)를 환원시킨다.
한편, 전해질(112)은 높은 전기화학적 안정성(high electrochemical stability), 높은 자외선 안정성(high UV stability), 높은 열적 안정성(high thermal stability), 낮은 증기압(low vapour pressure) 및 낮은 유독성(low toxicity)를 갖는 것이 바람직하다. 이는, 광전소자가 광에너지를 전기에너지로 변환하는 동안, 전해질(112)이 염료활성층(111), 제1 전극(115) 및 제2 전극(116) 중 적어도 하나와 전기 또는 화학적으로 반응하여 변동되는 특성을 갖거나, 자외선 또는 고온의 열에 의해 변동되는 특성을 갖는 재료로 선택된다면, 소자의 신뢰도 및 수명이 낮아지기 때문이다. 그리고, 전해질(112)이 높은 증기압을 갖는 재료로 선택되면, 광전영역(AZ) 내에 소정의 증기압이 발생되어, 실링층(113)이 손상되면서, 전해질(160)이 누출됨에 따라, 전해질공급부(500)에서 공급되어야 하는 전해질의 량이 불필요하게 증가될 수 있기 때문이다. 또한, 전해질(113)이 높은 유독성을 갖는다면, 사용자 또는 환경에 유해하여, 활용도가 낮아지기 때문이다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광전변환장치(10)는 염료감응 광전패널(100)에 포함된 전해질의 상태에 따라 새로운 전해질을 추가적으로 공급하거나 기존의 전해질을 폐기할 수 있어, 염료감응 광전패널(100)이 초기와 같이 일정한 상태의 전해질을 포함할 수 있다. 그러므로, 오랜 시간동안 외부에 노출되더라도, 자체적으로 전해질을 보충할 수 있어, 전해질의 상태변화에 따른 광전변환효율의 저하 및 수명 감소가 방지될 수 있다. 또한, 전해질을 보충함에 있어서도, 별도의 인력을 요하는 것이 아닌, 자체적으로 전해질의 상태에 따라 전해질의 공급, 폐기 여부를 조절할 수 있으므로, 실용성 및 신뢰도가 향상될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광전변환장치의 초기 광전변환특성과 120시간 이후의 광전변환특성을 비교예와 함께 나타낸 것이다. 여기서, 비교예는 전해질을 새로 보충하거나 폐기하지 않는 염료감응 광전패널에 해당한다.
그리고, 도 6에서 가로축은 외부로드에 인가되는 전압을 나타내고, 세로축은 광에너지에 의해 염료감응 광전패널 내에 발생된 단위 면적당 전류밀도를 나타낸다.
도 6에 도시된 그래프들 각각과 가로축 및 세로축에 의해 둘러싸인 영역의 면적을 비교해보면, 비교예의 경우, 120시간 이후의 광전변환특성이 초기의 광전변환특성보다 큰 차이로 저하되는 반면, 본 발명의 실시예의 경우, 120시간 이후의 광전변환특성이 초기의 광전변화특성과 매우 작은 차이로 저하된 것을 확인할 수 있다.
이러한 도 6에 도시된 바를 근거로 계산해본 결과, 비교예의 경우 120시간 이후의 광전변환특성이 초기보다 약 20%정도 감소된 반면, 본 발명의 실시예에 따른 경우 120 시간 이후의 광전변환특성이 초기보다 약 5%미만의 차이로 감소된 것을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 광전변환장치는 염료감응 광전패널(100)에 포함된 전해질의 상태에 따라 전해질의 보충 및 폐기를 용이하게 할 수 있어, 오랜 시간의 구동에 따른 광전변환효율 저하를 최소화할 수 있고, 이로 인해 장치의 신뢰도 및 수명이 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.
10: 광전변환장치 100: 염료감응 광전패널
200: 로드 300: 전해질상태측정부
400: 제어부 500: 전해질공급부
600: 전해질폐기부 US: 제1 기판(상부기판)
BS: 제2 기판(하부기판) 110: 서브모듈
120: 전해질 주입구 130: 전해질 배출구
140: 채널 AZ: 광전영역
111: 염료활성층 111a: 나노입자
111b: 염료 112: 전해질
113: 실링층 114: 내부커넥터
C1-C4: 복수의 셀 115: 제1 전극
116: 제2 전극 117: 가속층

Claims (10)

  1. 광에너지에 의해 산화하여 전자를 방출하는 염료 및 산화-환원반응에 의해 산화된 염료를 환원시키는 전해질을 포함하여, 상기 광에너지를 변환하여 전기에너지를 생성하는 염료감응 광전패널;
    상기 염료감응 광전패널에서 생성된 상기 전기에너지를 축적하고, 상기 전기에너지의 축적량을 나타내는 광전상태신호를 생성하는 로드;
    상기 염료감응 광전패널에 포함된 상기 전해질의 상태를 측정하여 전해질상태신호를 생성하는 전해질상태측정부;
    상기 광전상태신호 및 상기 전해질상태신호를 이용하여, 제어신호를 생성하는 제어부;
    상기 제어신호에 응답하여 상기 염료감응 광전패널에 전해질을 공급하는 전해질공급부; 및
    상기 제어신호에 응답하여 상기 염료감응 광전패널의 전해질을 폐기하는 전해질배출부를 포함하는 광전변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해질상태측정부는, 상기 염료감응 광전패널에 포함된 상기 전해질의 농도에 대응하는 제1 정보 또는 상기 염료감응 광전패널에 포함된 상기 전해질의 양에 대응하는 제2 정보를 포함하는 상기 전해질 상태신호를 생성하는 광전변환장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 정보가 상기 염료감응 광전패널에 포함된 전해질의 초기 농도에 대응한 기준값보다 낮으면, 상기 전해질공급부 및 상기 전해질배출부를 턴온하는 제어신호를 생성하는 광전변환장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 정보는 상기 염료감응 광전패널의 무게를 나타내고,
    상기 제어부는, 상기 제2 정보가 상기 염료감응 광전패널의 초기 무게에 대응한 기준값보다 낮으면, 상기 전해질공급부를 턴온하는 제어신호를 생성하는 광전변환장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 광전상태신호의 단위시간당 변화율이 기준값보다 낮으면, 상기 전해질공급부 또는 상기 전해질배출부를 턴온하는 제어신호를 생성하는 광전변환장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 염료감응 광전패널은,
    상기 염료와 상기 전해질을 각각 포함하는 복수의 셀;
    상기 전해질공급부와 연결되어, 상기 전해질공급부의 전해질이 주입되는 통로로 형성되는 전해질주입구;
    상기 전해질배출부와 연결되어, 상기 복수의 셀의 상기 전해질이 배출되는 통로로 형성되는 전해질배출구; 및
    상기 전해질주입구 및 상기 전해질배출구와 연결되고, 상기 복수의 셀 사이에 상기 전해질의 이동경로로 형성되는 채널을 포함하는 광전변환장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 셀 각각은,
    투과성을 갖는 제1 전극;
    상기 제1 전극에 대향하는 제2 전극;
    상기 제1 전극과 제2 전극 사이의 광전영역을 정의하는 실링층;
    상기 제1 전극 상의 광전영역 내에 나란하게 배열되는 나노입자들과 상기 나노입자들의 표면에 흡착되는 상기 염료를 포함하여 형성되는 염료활성층;
    상기 염료활성층을 포함한 상기 광전영역 내에 충진되는 상기 전해질; 및
    상기 제2 전극 상에 형성되어, 상기 광전영역 내에 충진된 상기 전해질의 산화-환원반응을 촉진하는 가속층을 포함하는 광전변환장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 셀 중 적어도 하나는 적어도 하나의 서브모듈로 구분되고,
    상기 적어도 하나의 서브모듈 각각에서, 상기 적어도 하나의 셀은 상기 실링층에 의해 대면합착되는 제1 기판과 제2 기판 사이에 형성되는 광전변환장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 채널은 상기 복수의 셀 각각의 광전영역 내부와 연결되고,
    상기 전해질공급부 또는 상기 전해질배출부의 동작에 따라, 상기 복수의 셀 각각의 광전영역에 충진되는 상기 전해질은 상기 채널을 통해 순환되는 광전변환장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 셀 각각은, 상기 실링층 사이에 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 어느 하나와 접촉하여 형성되는 내부커넥터에 의해 이웃한 셀과 직렬 연결되는 광전변환장치.
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