KR20120126224A - 염료감응형 태양전지의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염료감응형 태양전지의 제조 방법에 관한 것으로서, 각각의 태양전지 서브모듈의 전극 상부에 적어도 하나 이상의 열선을 올려놓는 단계; 상기 적어도 하나 이상의 열선을 포함하는 전극 상부에 금속 페이스트를 도포하는 단계; 및 복수의 태양전지 서브모듈의 전극을 서로 겹쳐놓은 후, 상기 적어도 하나 이상의 열선에 전류를 흘려서 상기 금속 페이스트를 가열시키고 경화시키는 단계를 포함한다.

Description

염료감응형 태양전지의 제조 방법{Method for Manufacturing Dye Sensitized Solar Cell}

본 발명은 염료감응형 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 전도성, 내구성 및 기계적 강도가 뛰어난 금속 페이스트(Metal Paste)를 사용하여 복수의 태양전지 서브모듈의 전극을 상호 접합하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법에 관한 것이다.

태양전지는 태양광을 포함한 광을 흡수하여 광에너지를 전기에너지로 변환하여 전기에너지를 생산하는 장치이다.

도 1은 태양전지 셀의 기본 구조를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 태양전지 셀은 양극 전극(112)이 코팅된 양극 유리기판(110), 음극 전극(122)이 코팅된 음극 유리기판(120), 양극 전극(112) 상부에 단원자층 박막 수준으로 미세하게 도포된 촉매층(114), 염료를 흡착한 상태로 음극 전극(122) 하부에 부착된 TiO2층(124) 및 양극 전극(112)과 음극 전극(122)이 접촉되지 않도록 간격을 유지시키면서 내부에 전해질(130)을 밀봉시키는 밀봉재(140)를 구비한다.

도 2는 단일 기판 상에 집적된 태양전지 서브모듈의 일반적인 구조를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 태양전지 셀의 음극 전극(122)은 밀봉재 기능과 태양전지 셀 간 전기적 절연 기능을 겸하는 격벽(150)을 경유하여 이웃하는 태양전지 셀의 양극 전극(112)과 연결됨으로써 전기적으로 직렬 연결 회로를 구성한다. 이러한 태양전지 셀들이 여러 개 집적되어 하나의 태양전지 서브모듈(Sub-module)을 구성한다.

도 3은 복수의 태양전지 서브모듈을 상호 접속하여 염료감응형 태양전지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 태양전지 서브모듈의 양단에는 양극 유리기판(110) 및 음극 유리기판(120)이 돌출되어 있고, 돌출된 양극 유리기판(110)의 상부와 음극 유리기판(120) 하부에는 양극 전극(112)과 음극 전극(122)이 각각 코팅되어 있다.

돌출된 양극 전극(112) 및 음극 전극(122)을 서로 포개어 접속하되, 전기적 특성을 향상시키기 위하여 도전성 접착제(310)를 사용하여 결합시킨다. 이때, 태양전지 서브모듈을 필요한 수량만큼 직렬로 접속한 것을 스트링(String)이라 하고, 이러한 스트링을 필요한 수량만큼 병렬로 연결하여 염료감응형 태양전지를 제작하게 된다.

도 4는 태양전지 서브모듈 간의 전기적 접속에 일반적으로 사용되는 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 금속 테이프(410)의 일단을 태양전지 서브모듈의 돌출된 음극 전극(122)의 일단에 납땜 등의 수단으로 접속하고, 금속 테이프(410)의 타단을 접속하고자 하는 태양전지 서브모듈의 돌출된 양극 전극(112)에 접속하면 전기적 직렬 접속을 구성할 수 있다.

이러한 기존 방식은 단순한 수작업만으로 전기적 접속이 가능하며, 사용하는 소재가 비교적 저렴하다는 장점이 있다.

그러나, 종래 태양전지 서브모듈 간의 전기적 접속 방법은 상호 연결되는 태양전지 서브모듈 간의 위치 정밀도가 낮아서 염료감응형 태양전지 외형의 오차가 커지게 되고, 접속부의 강도와 내구성 확보가 곤란하여 별도의 지지용 구조물을 사용해야 할 뿐만 아니라, 각각의 태양전지 서브모듈을 개별적으로 납땜하므로 품질의 균일성도 떨어지게 되며, 자동화에 의한 대량생산에도 적합하지 않다.

상기 문제점들을 해결하는 방법으로서, 도전성 접착제를 대신하여 전기 전도성이 우수하고 내구성과 기계적 강도가 뛰어난 금속 페이스트(Metal Paste)를 사용하여 태양전지 서브모듈의 전극을 상호 접합하면 성능이 우수하고 신뢰성이 높은 염료감응형 태양전지를 제작할 수 있다.

금속 페이스트는 가열에 의해 경화되는 도전성 접착제의 일종으로서, 열경화성 수지에 금속 분말 및 기타 첨가물이 혼합된 것이다. 금속 페이스트는 경화되기 이전에는 도전성이 없거나 매우 낮고, 가열에 의해 경화된 후에는 매우 낮은 전기저항과 높은 접착강도 및 경도를 갖는다.

따라서, 태양전지 서브모듈의 전극에 금속 페이스트를 도포하고 상호 접속 후 움직이지 않도록 고정한 상태에서 가열하여 경화시키면 접속부는 기계적으로 고정되며 전기적 연결도 이루어진다.

염료감응형 태양전지는 액체 전해질을 포함하므로 고온상태가 되면 성능이 저하되거나 파괴될 수 있다. 따라서, 금속 페이스트(510)의 경화를 위해 전극 부위를 고온으로 가열하는 과정에서 염료감응형 태양전지가 손상되지 않도록 해당 부위만 선택적으로 가열하는 것이 필요하다. 이러한 국부 가열 방식으로는 도 5의 레이저 가열 및 도 6의 고주파 유도 가열 방식을 사용할 수 있으며, 열의 전도에 의한 온도 상승을 막기 위하여 필요에 따라 국부 냉각도 병용할 수 있다.

그러나, 종래 태양전지 서브모듈의 전극은 좁고 긴 형태이므로 레이저 및 유도가열 방식으로 공정에 소요되는 시간이 비교적 길고 사용하는 장비의 가격이 높다는 단점이 있다.

염료감응형 태양전지를 구성하기 위해 태양전지 서브모듈의 전극을 상호 접속하는 경우, 접속부에는 수 암페어(A) 내지는 수십 암페어(A)의 전류가 흐를 수 있어야 하고, 접속부의 저항값이 낮아 전력의 손실이 적어야 할 뿐만 아니라, 접속부의 기계적 강도와 내구성이 충분해야 장기간 사용시 염료감응형 태양전지의 신뢰성을 확보할 수 있다.

이와 더불어, 제조 공정이 단순하고 자동화가 용이하여 대량생산에 적합할 뿐만 아니라, 저가의 소재를 사용함으로써 경제성을 높일 수 있어야 한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 요구사항을 만족시키기 위해 창안된 것으로서, 금속 페이스트(Metal Paste)를 사용하여 태양전지 서브모듈의 전극을 상호 접합시킴으로써 성능이 우수하고 신뢰성이 높은 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법은, 각각의 태양전지 서브모듈의 전극 상부에 적어도 하나 이상의 열선을 올려놓는 단계; 상기 적어도 하나 이상의 열선을 포함하는 전극 상부에 금속 페이스트를 도포하는 단계; 및 복수의 태양전지 서브모듈의 전극을 서로 겹쳐놓은 후, 상기 적어도 하나 이상의 열선에 전류를 흘려서 상기 금속 페이스트를 가열시키고 경화시키는 단계를 포함한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 금속 페이스트(Metal Paste)를 사용하여 복수의 태양전지 서브모듈의 전극을 상호 접합하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 제공함으로써, 태양전지 서브모듈 간의 접속 및 고정을 용이하게 하고, 염료감응형 태양전지의 기계적 강도, 전기적 특성 및 내구성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 태양전지 셀의 기본 구조를 나타낸 도면,
도 2는 단일 기판 상에 집적된 태양전지 서브모듈의 일반적인 구조를 나타낸 도면,
도 3은 복수의 태양전지 서브모듈을 상호 접속하여 염료감응형 태양전지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 4는 태양전지 서브모듈 간의 전기적 접속에 일반적으로 사용되는 방식을 설명하기 위한 도면,
도 5는 종래 염료감응형 태양전지 제조 방법에서 레이저 가열을 통해 금속 페이스트를 가열하는 방법을 보여주기 위한 도면,
도 6은 종래 염료감응형 태양전지 제조 방법에서 고주파 유도 가열을 통해 금속 페이스트를 가열하는 방법을 보여주기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면,
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면,
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면,
도 11은 금속 페이스트를 균일하게 가열하기 위한 다양한 형태의 열선을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 제1 태양전지 서브모듈(710)의 양극 전극(712) 상부에 금속의 열선(Heating-wire)(730)을 올려놓고, 열선(730)이 올려진 양극 전극(712) 상부에 열선(730)의 두께와 같거나 더 두껍게 금속 페이스트(740)를 도포한다. 그리고, 금속 페이스트(740)가 도포된 제1 태양전지 서브모듈(710)의 양극 전극(712) 위에 접속하고자 하는 제2 태양전지 서브모듈(720)의 음극 전극(722)을 겹쳐놓고, 열선(730)에 전류를 흘려 열을 발생시켜 금속 페이스트(740)를 가열시키며, 가열된 금속 페이스트(740)를 경화시켜 전극(712, 722)을 고정시킨다. 이후, 전극(712, 722) 밖으로 돌출된 열선(730)을 잘라낸다.

이때, 전극(712, 722)이 도전성이므로 여기에 직접 전류를 흘려 가열할 수도 있으나, 금속 페이스트(740)의 경화 온도까지 가열되도록 전극(712, 722)에 큰 전류를 가하면 박막 형태의 전극이 파손될 수 있고, 금속 페이스트(740)가 도포된 부위뿐만 아니라 지나치게 넓은 면적이 가열되므로 바람직하지 못하다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에서는 금속 페이스트(740)를 균일하게 가열하기 위해서 평행한 두 개의 열선(810)을 사용한다. 비록, 본 발명의 제2 실시예에서는 설명의 편의상 두 개의 열선(810)을 예로 들어 설명하고 있지만 이에 한정되는 것은 아니며, 금속 페이스트(740)의 최적 경화 온도범위를 맞추기 위해서 금속 페이스트(740)를 도포한 넓이에 따라 적어도 하나 이상의 열선을 사용할 수 있다.

도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에서는 금속 페이스트(740)의 최적 경화 온도범위를 맞추기 위해서 폭이 넓은 리본 형태의 열선(910)을 사용한다.

도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 10의 (A)를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에서는 양극 유리기판(1010)의 양극 전극(1012) 또는 음극 유리기판(1020)의 음극 전극(1022)에 박막 형태의 열선(1030)을 성형하여 부착한다. 도 7 내지 도 9에서와 같이 열선을 전극 사이에 삽입하고 가열하는 공정은 정밀도가 떨어지고 자동화에 어려움이 있으므로, 전극(1012, 1022) 상에 도전성 박막 형태의 열선(1030)을 미리 성형하면 보다 용이하게 금속 페이스트(1040)를 가열하고 경화시킬 수 있다. 여기서, 도전성 박막 형태의 열선(1030)은 전극(1012, 1022)에 금속 소재를 진공 증착하거나, 금속 페이스트를 스크린 프린팅을 통해 도포한 후, 가열 및 경화시키는 방법을 통해 제작될 수 있다.

그리고, 도전성 박막 형태의 열선(1030)에 전류를 흘려 가열하기 위한 통전용 전극 접속부를 형성하기 위해서, 도 10의 (B)에서와 같이, 유리기판(1010, 1020)의 모서리 일부를 절단(10a)하거나, 도 10의 (C)에서와 같이, 유리기판(1010, 1020)에 홀(10b)을 뚫어 열선(1030)에 전류를 공급할 수 있다.

한편, 금속 페이스트(1040)를 균일하게 가열하기 위해서, 도 8에서와 같이 적어도 하나 이상의 열선을 사용하는 것 이외에도, 열선의 저항값과 형태를 조절할 수 있다.

도 11은 금속 페이스트를 균일하게 가열하기 위한 다양한 형태의 열선을 나타낸 도면이다.

도 11의 (A)에 도시된 바와 같이, 적어도 하나 이상의 열선(1110a)을 배열하고 열선(1030a)의 폭과 열선 간의 간격을 조절함으로써, 금속 페이스트를 보다 균일하게 가열할 수 있다.

도 11의 (B)에 도시된 바와 같이, 열선(1030b)의 폭을 부위별로 다르게 하고, 이에 따라 저항값의 차이를 주어 발열량을 조절함으로써, 금속 페이스트를 보다 균일하게 가열할 수 있다.

도 11의 (C)에 도시된 바와 같이, 열선(1030c)을 파형으로 구성하고, 열선(1110c)의 폭과 주기를 조절함으로써, 금속 페이스트를 보다 균일하게 가열할 수 있다.

본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

710: 제1 태양전지 서브모듈 712: 제1 태양전극 서브모듈의 양극 전극
720: 제2 태양전지 서브모듈 722: 제2 태양전극 서브모듈의 음극 전극
730: 열선 740: 금속 페이스트

Claims (8)

  1. 각각의 태양전지 서브모듈의 전극 상부에 적어도 하나 이상의 열선을 올려놓는 단계;
    상기 적어도 하나 이상의 열선을 포함하는 전극 상부에 금속 페이스트를 도포하는 단계; 및
    복수의 태양전지 서브모듈의 전극을 서로 겹쳐놓은 후, 상기 적어도 하나 이상의 열선에 전류를 흘려서 상기 금속 페이스트를 가열시키고 경화시키는 단계;
    를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 열선은 폭이 넓은 리본 형태인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 열선은 박막 형태로서, 상기 각각의 태양전지 서브모듈의 전극 상부에 부착되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 열선은 상기 각각의 태양전지 서브모듈의 전극 상부에 금속 소재를 물리적 또는 화학적 방법으로 증착하거나, 금속 페이스트를 스크린 프린팅을 통해 도포한 후, 가열 및 경화시켜 제작되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속 페이스트를 가열시키고 경화시키는 단계에서,
    상기 복수의 태양전지 서브모듈의 유리기판의 모서리 일부를 절단하거나, 상기 유리기판에 홀을 뚫어 상기 적어도 하나 이상의 열선에 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 열선의 수, 형태 및 선폭을 조절함으로써, 상기 금속 페이스트를 가열할 때 온도를 균일하게 하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 열선의 폭을 부위별로 다르게 함으로써, 상기 금속 페이스트를 가열할 때 온도를 균일하게 하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 열선을 파형으로 구성하고, 상기 적어도 하나 이상의 열선의 폭과 주기를 조절함으로써, 상기 금속 페이스트를 가열할 때 온도를 균일하게 하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
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