KR20120121123A - 염료감응형 태양전지를 위한 전해질 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지의 광전변환 효율을 높일 수 있도록 된 염료감응형 태양전지를 위한 전해질에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전해질은 염료감응형 태양전지에 사용되는 전해질에 있어서, 상기 전해질이 전기석 분말을 포함하는 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

염료감응형 태양전지를 위한 전해질{Electrolyte for dye sensitized solar cell}

본 발명은 염료감응형 태양전지에 적용되는 전해질에 관한 것으로, 특히 태양전지의 광전변환 효율을 높일 수 있도록 된 염료감응형 태양전지를 위한 전해질에 관한 것이다.

태양 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 소자를 통상 솔라셀 또는 태양전지로서 칭하고 있다. 태양전지는 그 구조나 동작 방식에 따라 실리콘, 화합물, CIGS, 염료감응형, 유기물 태양전지 등으로 구분할 수 있다.

이 중 염료감응형 태양전지는 광량이 작은 경우나 광의 조사 각도가 10도 이상만 되면 광전변환이 가능하고, 투명 또는 반투명의 태양전지를 구현할 수 있으며, 유기 염료에 따라 다양한 색상 구현이 가능하고, 다중 적층형으로 구현할 수 있는 등 다양한 장점을 갖고 있다.

염료감응형 태양전지는 통상적으로 하부 구조체와 상부 구조체를 구비하고, 이들 구조체의 사이에 전해질층을 구비한다. 이때 전해질로서는 예컨대 요오드가 사용된다. 요오드는 염료에 전자를 제공한 후 트리요오드화물로 산화되고, 이후 하부 구조체로부터 전자를 제공받아 다시 요오드로 환원되는 산화-환원 반응을 통해 염료에 지속적으로 전자를 제공한다.

그러나 이러한 전해질을 사용하는 염료감응형 태양전지는 아직 충분한 광전변환 효율을 제공하지 못하기 때문에 보다 효율적인 태양전지에 대한 요구에 아직 충분히 부응하지 못하고 있다.

이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 염료감응형 태양전지에 적용되어 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있도록 된 전해질을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따른 염료감응형 태양전지를 위한 전해질은 염료감응형 태양전지에 사용되는 전해질에 있어서, 상기 전해질이 전기석 분말을 포함하는 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2 관점에 따른 염료감응형 태양전지를 위한 전해질은 염료감응형 태양전지에 사용되는 전해질에 있어서, 상기 전해질이 전기석 분말과 전해질의 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제3 관점에 따른 염료감응형 태양전지를 위한 전해질은 염료감응형 태양전지에 사용되는 전해질에 있어서, 상기 전해질이 전기석 분말과 물의 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 혼합물에 철 분말이 추가로 혼합되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 혼합물에 자철석 분말이 추가로 혼합되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 혼합물에 영구자석 분말이 추가로 혼합되는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성으로 된 본 발명에 의하면, 전해질로서 전기석 분말의 혼합물을 이용한다. 전기석 분말은 하부 전극층으로부터 상부 전극층으로 전자의 공급 기능을 제공함과 더불어 외부로부터 인가되는 태양광을 흡수하여 전자를 방출한다. 따라서 태양전지의 광전변환 효율이 증가된다. 또한 전기석 분말은 다양한 색상의 것이 존재한다. 따라서 태양전지의 색상을 다양하게 구현할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명이 적용되는 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다. 단, 이하에서 설명하는 실시예는 본 발명의 하나의 바람직한 구현예를 예시적으로 나타낸 것으로서, 이러한 실시예의 예시는 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 그 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있음은 당업자가 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 일반적인 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 1에서 염료감응형 태양전지는 전해질층(14)을 사이에 두고 하부 구조체 및 상부 구조체가 형성된다.

하부 구조체는 하부 기판(11)과, 이 하부 기판(11)상에 형성되는 하부 전극층(12)을 구비한다. 상기 하부 기판(11)으로서 예컨대 강화 유리 등이 사용된다. 또한 상기 하부 전극층(12)으로서는 도전성 무기물, 예컨대 금, 은, 알루미늄, 플라티늄 등이나 금속 산화물이 사용된다.

상부 구조체는 예컨대 유리 등으로 이루어진 상부 기판(17)과, 이 상부 기판(17)상에 형성되는 상부 전극층(16) 및 다공질층(15)을 구비한다. 상기 상부 전극층(16)은 예컨대 SnO₂, ITO, TCO, FTO, ZnO, CNT등의 투명전극으로 이루어지고, 다공질층(15)은 예컨대 TiO₂층으로 구성된다. 그리고 다공질층(15)에는 예컨대 루테늄(Ru)계 염료가 흡착된다.

상기 전해질층(14)에는 전해질이 주입된다. 본 발명에서 전해질층(14)에 주입되는 전해질로서는 통상적인 전해질 용액, 예컨대 요오드 용액과 전기석 분말의 혼합물이 이용된다. 또한 다른 바람직한 실시예에 있어서는 상기 전해질에 전기석 분말과 더불어 철이나 자철석, 또는 영구자석 분말이 추가적으로 포함된다.

전기석은 토루말린(tourmaline)이라 칭하는 붕규산염계 다공질성 광물로서, 적색, 황색, 녹색, 검정색 등 각종 색깔을 이루는 것에서부터 투명한 것에 이르기까지 다양한 색상의 것이 존재한다.

전기석은 미세한 분말, 예컨대 0,3㎛ 크기의 입자로 분쇄하여도 양극과 음극을 구비하고, 여기에 열이나 압력을 가하면 전기를 발생시키는 것으로 알려져 있다. 또한 전기석은 외부적인 열이나 압력을 가하지 않는 경우에도 음극을 통하여 0.06㎃의 미세전류를 영구적으로 방출한다. 그리고 이러한 전기석 또는 전기석 분말에 물 등의 액체가 접촉되면 음극을 통하여 방출되는 미세전류에 의하여 물이 순간적으로 전기분해되면서 주변을 음이온 상태로 만드는 특징을 갖는다.

상기 구조에 있어서, 외부로부터 태양광이 입사되면 일부 태양광 또는 태양광의 특정한 광파장대역의 광은 다공질층(15)에 흡착되어 있는 염료에 흡수되면서 염료 분자들을 여기시키게 된다. 이러한 여기 상태에서 염료들로부터 다공질층(15)으로 전자들이 주입되고, 이와 같이 주입된 전자들은 다공질층(15)으로부터 상부 전극층(16)으로 확산된다.

한편 전자를 잃어버린 염료 분자에 대해서는 전해질층(14)으로부터 전자가 제공된다. 상술한 바와 같이 전해질층은 전기석 분말과 전해질, 예컨대 요오드의 혼합물로 구성된다.

우선 요오드는 통상의 것과 마찬가지로 염료에 전자를 제공하면서 트리요오드화물(triiodide)로 산화된다.

한편, 태양전지로 입사되는 태양광 중 염료에 흡수되지 않은 태양광은 외측으로 반사되거나 전해질층(14)으로 제공된다. 전해질층(14)으로 진행된 태양광은 전해질층(14)에 흡수되고, 이에 따라 전해질층(14)의 온도가 높아지게 된다. 전해질층(14)의 온도가 높아지게 되면 전기석 분말로부터 다량의 전자가 방출된다. 이와 같이 방출된 전자들은 염료나 전해질에 공급된다.

트리요오드화물로 산화된 요오드는 전기석 분말이나 하부 전극층(12)으로부터 전자를 제공받아 다시 요오드로 환원된다.

본 발명에 따른 전해질을 전해질에 포함되어 있는 전기석 분말로부터 방출되는 다량의 전자가 염료와 전해질에 제공됨으로써 태양전지의 광전변환 효율이 높아지게 된다.

또한 전기석 분말은 다양한 색상의 것이 존재하고, 이에 따라 태양전지의 색상도 다양하게 구현할 수 있게 된다.

한편, 상기 실시예에 있어서는 전해질로서 예컨대 요오드 등의 통상적인 전해질과 전기석 분말의 혼합물을 사용하는 것에 대하여 설명하였다. 그러나 본 발명에 있어서는 전해질로서 물과 전기석 분말의 혼합물을 사용하는 것도 가능하다. 또한 이때 선택적으로 전해질에 철이나 자철석, 또는 영구자석 분말이 바람직하게 혼합될 수 있다.

상술한 바와 같이 전기석은 미세전류를 방출하고, 이러한 전기석 또는 전기석 분말에 물 등의 액체가 접촉되면 음극을 통하여 방출되는 미세전류에 의하여 물이 순간적으로 전기분해되면서 주변을 음이온 상태로 만드는 특징을 갖는다. 따라서 전기석 분말에 물을 혼합 또는 흡수시켜 전해질을 구성하게 되면 이온화되 물이 전해질의 역활을 실행함으로써 요오드 등과 같은 별도의 전해질을 사용하지 않는 것이 가능하다.

따라서 이러한 실시예에 의하면 별도의 전해질이 요구되지 않으므로 태양전지의 제조비용을 보다 낮출 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다. 예를 들어 상술한 실시예에 있어서는 전기석 분말과 혼합되는 전해질로서 요오드 용액을 예로 들어 설명하였으나, 이는 특정한 것에 한정되지 않고 통상적으로 사용가능한 전해질 용액을 적용할 수 있다.

11: 하부 기판, 12: 하부 전극층,
13 : 촉매금속층, 14: 전해질층,
15: 다공질층, 16: 상부 전극층,
17: 상부 기판.

Claims (12)

1. 염료감응형 태양전지에 사용되는 전해질에 있어서,
   상기 전해질이 전기석 분말을 포함하는 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 위한 전해질.
2. 제1항에 있어서,
   상기 혼합물에 철 분말이 추가로 혼합되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 위한 전해질.
3. 제1항에 있어서,
   상기 혼합물에 자철석 분말이 추가로 혼합되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 위한 전해질.
4. 제1항에 있어서,
   상기 혼합물에 영구자석 분말이 추가로 혼합되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 위한 전해질.
5. 염료감응형 태양전지에 사용되는 전해질에 있어서,
   상기 전해질이 전기석 분말과 전해질의 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 위한 전해질.
6. 제5항에 있어서,
   상기 혼합물에 철 분말이 추가로 혼합되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 위한 전해질.
7. 제5항에 있어서,
   상기 혼합물에 자철석 분말이 추가로 혼합되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 위한 전해질.
8. 제5항에 있어서,
   상기 혼합물에 영구자석 분말이 추가로 혼합되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 위한 전해질.
9. 염료감응형 태양전지에 사용되는 전해질에 있어서,
   상기 전해질이 전기석 분말과 물의 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 위한 전해질.
10. 제9항에 있어서,
    상기 혼합물에 철 분말이 추가로 혼합되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 위한 전해질.
11. 제9항에 있어서,
    상기 혼합물에 자철석 분말이 추가로 혼합되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 위한 전해질.
12. 제9항에 있어서,
    상기 혼합물에 영구자석 분말이 추가로 혼합되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 위한 전해질.

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