KR20130006981A - 염료감응 태양전지를 이용한 기와 - Google Patents

염료감응 태양전지를 이용한 기와 Download PDF

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Abstract

본 발명은 서로 대향하며, 상부에 전도성 투명 전극이 증착된 두 개의 기판, 상기 두 개의 기판 각각에 구비된 반도체 전극과 이에 대향하는 상대 전극, 및 상기 반도체 전극과 상대 전극 사이에 구비된 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지 모듈을 이용한 기와로서, 상기 기와는 두 개 이상의 염료감응 태양전지 모듈; 상기 두 개 이상의 염료감응 태양전지 모듈을 구부러진 각도로 연결하는 전도성 연결부재; 및 곡면 구조의 구부러진 기와 형상을 가지며, 상기 염료감응 태양전지 모듈 및 전도성 연결부재를 내부에 수용하는 투명부재를 포함하며, 여기에서 상기 전도성 연결부재는 중심을 기준으로 구부러지며, 양 측에 “ㄷ”자 형태의 홈이 구비되고, 상기 홈에 상기 염료감응 태양전지 모듈이 각각 수용되고, 2 개 이상의 단위 염료감응 태양전지의 물리적, 전기적 연결을 일정 각도로 구부릴 수 있는 연결 부재를 통하여 효과적으로 염료감응 태양전지의 굴곡을 구현하며, 염료감응 태양전지를 덮는 투명 고분자를 연결시켜, 염료감응 태양전지를 각각 포함하는 복수 개의 기와를 건물옥상 등에 효과적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

Description

염료감응 태양전지를 이용한 기와 {Tile using dye sensitized solar cell}
본 발명은 염료감응 태양전지를 이용한 기와에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2개 이상의 염료감응 태양전지를 각각 포함하는 복수 개의 기와를 건물옥상 등에 효과적으로 사용할 수 있으며, 기와가 가지는 곡선의 심미감을 그대로 살릴 수 있는 장점의 염료감응 태양전지를 이용한 기와에 관한 것이다.
염료감응 태양전지 중에서 대표적인 것으로는 1991년도 스위스 국립 로잔 고등기술원의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 등이 개발한 나노입자 산화티타늄을 이용한 염료감응 태양전지가 있다. 이 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조단가가 저렴하고 전극이 투명하여 건물 외벽 유리창이나 유리온실 등에 응용이 가능하다는 이점이 있으나, 광전변환 효율이 낮아 실제 적용에는 제한이 있다.
이러한 염료감응 태양전지는 염료분자가 흡착된 나노결정 산화물필름이 코팅된 투명의 전도성 전극, 금속 백금 등이 코팅된 상대전극 및 산화-환원의 작용을 하는 전해액으로 구성된다. 이와 같은 구성을 갖는 염료감응 태양전지는 하나의 기판에 하나의 염료감응 태양전지를 구비시켜 사용하거나, 하나의 기판 위에 다수개의 염료감응 태양전지를 서로 연결시켜 모듈형태로 사용하게 된다.
도 1 및 2는 전해액 주입구(12)를 포함하는 염료감응 태양전지의 정면도 및 그 단면도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 종래 기술에 따른 염료감응 태양전지는 제 1 기판(2)과 제 2 기판(4)이 서로 접합된 샌드위치 구조를 갖고, 제 2 기판(4)에 대향되는 제 1 기판(2)의 면에는, ITO, FTO 등의 전도성 물질을 포함하는 투명 전도성 전극(22)이 있고, 상기 전도성 전극(22) 상에는 염료분자가 흡착된 TiO2 등의 나노입자 산화물층(6, 이하 반도체 전극)이 적층된다. 또한, 상기 제 1 기판에 대향 되는 제 2 기판의 일 면에는 또 다른 전도성 전극 (22) 및 상대전극(8)이 적층된다. 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이의 공간에는 전해액(18)이 충진 되어 있고, 상기 제 1 기판(2), 제2 기판(4), 전해액(18)로 이루어진 단위를 하나의 셀(cell)로 하여 다수의 셀을 금속 그리드(grid, 10)로 Z-serise 형태의 직렬 모듈로 연결 설치 되어 구성된다. 이때, 상기 그리드는 통상적으로 전해액에 취약하므로 상기 그리드(10)의 외부를 밀봉부재(14)로 감싸 전해액(18)과 접촉되는 것을 방지하고, 전체 염료감응 태양전지 중 외측에 위치하는 염료감응 태양전지의 벽면을 밀봉층(14)로 마감시켜 전해액이 외부로 누액 되는 것을 방지한다. 또한, 독립된 단위 셀 각각에 다수의 전해액 주입구(12)가 구비되며, 서로 대향하는 두 기판을 접합시킨 후, 상기 전해액 주입구(12)를 통하여 액체 전해액이 주입된다.
이와 같은 염료감응 태양전지는 건물 일부로 사용되기에 접합하나, 주로 평면에만 국한되어 사용되는 문제가 있다. 특히, 건물 옥상에 사용되는 기와는 태양을 바로 조사받는 건물 영역으로, 태양전지가 사용되기 적합한 영역이나, 기와가 가지는 굴곡 등으로 인하여, 유리기판을 기반하는 염료감응 태양전지가 사용되기 어렵다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 염료감응 태양전지를 이용한 기와를 제공하는 것이다.
본 발명은 서로 대향하며, 상부에 전도성 투명 전극이 증착된 두 개의 기판, 상기 두 개의 기판 각각에 구비된 반도체 전극과 이에 대향하는 상대 전극, 및 상기 반도체 전극과 상대 전극 사이에 구비된 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지 모듈을 이용한 기와로서, 상기 기와는 두 개 이상의 염료감응 태양전지 모듈; 상기 두 개 이상의 염료감응 태양전지 모듈을 구부러진 각도로 연결하는 전도성 연결부재; 및 곡면 구조의 구부러진 기와 형상을 가지며, 상기 염료감응 태양전지 모듈 및 전도성 연결부재를 내부에 수용하는 투명부재를 포함하며, 여기에서 상기 전도성 연결부재는 중심을 기준으로 구부러지며, 양 측에 “ㄷ”자 형태의 홈이 구비되고, 상기 홈에 상기 염료감응 태양전지 모듈이 각각 수용되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈을 이용한 기와를 제공한다.
여기서 상기 “ㄷ”자 형태의 홈에는 상부에 전도성 투명 전극이 증착된 두 개의 기판 중 어느 하나가 수용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전도성 연결부재는 길이방향으로 연장되어, 전도성 라인에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하고, 상기 전도성 라인에는 또 다른 기와로부터 연장된 전도성 연결부재가 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 염료감응 태양전지 모듈의 두 기판 중 일 기판은 타 기판보다 더 넓은 너비를 가지며, 기와를 중첩시킴에 따라 상기 일 기판과 이웃하는 또 다른 기와의 염료감응 태양전지 모듈의 일 기판은 금속부재에 의하여 전기적으로 연결되고, 상기 금속부재는 상기 일 기판으로부터 수직 연장되며, 상기 기와를 중첩시킴에 따라 상기 중첩된 또 다른 기와의 염료감응 태양전지 모듈의 일 기판과 상기 금속부재는 접촉하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 기와는 2 개 이상의 단위 염료감응 태양전지의 물리적, 전기적 연결을 일정 각도로 구부릴 수 있는 연결 부재를 통하여 효과적으로 염료감응 태양전지의 굴곡을 구현할 수 있다. 아울러 염료감응 태양전지를 덮는 투명 고분자를 연결시켜, 염료감응 태양전지를 각각 포함하는 복수 개의 기와를 건물옥상 등에 효과적으로 사용할 수 있으며, 기와가 가지는 곡선의 심미감을 그대로 살릴 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 염료감응 태양전지의 정면도
도 2는 종래기술에 따른 염료감응 태양전지의 단면도
본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 이용한 기와의 사시도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 연결부재(230)의 단면도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기와에 수용되는 염료감응 태양전지 어셈블리의 단면도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 포함하는 기와의 단면도
도 7 및 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 포함하는 기와를 복수 개 연결시킨 구성을 나타내는 도면
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 기와의 단면도
도 10은 도 9의 기와가 중첩된 경우에 대한 단면도
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당 업자에게 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 발명에 따른 기와는 도 3에 도시된 바와 같이 두 개의 단위 염료감응 태양전지 모듈(210, 220) 어셈블리를 포함하며, 상기 단위 염료감응 태양전지 모듈들은 양 측이 일정 각도로 꺽인 형태의 전도성 연결부재(230)에 의하여 결합된다. 즉, 본 발명은 통상의 염료감응 태양전지가 달성하기 어려운 기와의 구부러진 형태를 도 2에 도시된 바와 같은 전도성 연결부재(230)에 의하여 달성되며, 이때 두 개의 염료감응 태양전지 모듈은 일정 각도로 꺽인 전도성 연결부재(230)의 양 측에 고정, 결합된다. 이때 상기 염료감응 태양전지 모듈 기판 중 어느 하나는 대향하는 또 다른 기판보다 길이 방향에서 연장되며, 상기 연장된 기판이 전도성 연결부재(230)에 고정된다. 이로써 도 1, 2에서 설명한 바와 같이 기판 상에 적층된 투명 전도성 전극을 통하여 흐르는 전류는 상기 전도성 연결부재(230)로 모아지게 된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 전도성 연결부재(230)는 금속이며, 연결부재(230)의 양 측에는 상기 염료감응 태양전지 모듈의 기판을 수용하는 홈이 각각 구비된다. 또한, 상기 홈의 높이는 상기 염료감응 태양전지 모듈 기판의 두께와 동일하거나, 낮은 것이 바람직한데, 이는 염료감응 태양전지 모듈을 기계적으로 고정하기 위함이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 연결부재(230)의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 전도성 연결부재(230)는 수평 방향으로 양 측(231, 232)이 일정 각도로 구부러진 형태이며, 특히 양 측의 단부는 서로 대향하는 “ㄷ”자 형태의 홈이 구비된다. 상기 홈은 물리적으로 염료감응 태양전지 모듈을 고정시킬 뿐만 아니라 염료감응 태양전지 기판 중 어느 하나와 연결되어, 상기 기판 상으로 흐르는 전류를 집전하는 기능을 수행하며, 이는 상술한 바와 동일하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기와에 수용되는 염료감응 태양전지 어셈블리의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 상기 전도성 연결부재(230)는 양 측에 서로 대향하는 “ㄷ”자 형태의 홈이 구비되고, 상기 “ㄷ”자 홈 내부로 염료감응 태양전지 모듈(220)의 연장된 기판이 수용된다. 이때 상기 전도성 연결부재(230)는 중심을 기준으로 일정 각도로 꺽인 형태이며, 상기 전도성 연결부재(230)의 양 측에 고정되는 염료감응 태양전지 모듈(210, 220) 또한 동일 각도로 구부러진다. 본 발명에서 상기 전도성 연결부재(230)는 염료감응 태양전지 모듈을 구부러진 형태로 연결수단 외에 상기 염료감응 태양전지 모듈을 전기적으로 연결, 집전하는 전도성 라인으로도 기능한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 포함하는 기와의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 도 2 내지 5에서 제조된 염료감응 태양전지 어셈블리는 기와 형상으로 구부러진 투명부재(240) 내에 수용된다. 즉, 본 발명에 따른 기울어진 각도의 염료감응 태양전지 어셈블리는 곡면 구조의 구부러진 기와 형상 내에 완전히 수용될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서 상기 투명부재(240)는 기와의 형상을 외부로 표시하며, 염료감응 태양전지를 보호하는 일종의 캡핑(capping)층이며, 폴리카보네이트 등의 투명 고분자가 상기 투명부재(240)로 사용될 수 있다. 또한, 상기 투명부재(240)가 투명 특성을 갖는 경화성 수지인 경우, 기와 형태의 틀 내에 채워진 수지에 도 2 및 3에서 개시된 염료감응 태양전지를 침지시킨 후, 이를 경화시켜, 도 4에 도시된 기와를 제조할 수 있다. 하지만, 이와 달리 별도로 투명부재(240)를 먼저 제조한 후, 도 3에 따른 염료감응 태양전지 어셈블리를 상기 투명부재 내에 미리 정의된 홈 내로 삽입시킬 수도 있다.
또한, 상기 투명부재의 양 측면에 각각 홈과 돌출부재를 형성시켜, 기와를 물리적으로 연결시킬 수 있다.
도 7 및 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 포함하는 기와를 복수 개 연결시킨 구성을 나타내는 도면이다.
도 7 및 8을 참조하면, 복수 개의 기와는 서로 인접하여 연결되며, 각각의 기와 내에는 도 3에서 도시된 염료감응 태양전지 어셈블리가 구비된다. 이때, 투명부재(240) 내에 구비되는 염료감응 태양전지 어셈블리의 전도성 연결부재(230)는 길이방향으로 연장되어, 전도성 라인(250)에 연결된다. 이때 동일 열의 기와는 동일한 전도성 라인(250)에 전기적으로 연결되어, 상기 전도성 라인(250)을 통하여 전류는 집전되어 흐를 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 기와를 중첩시키는 경우, 중첩되는 두 기와 가각의 염료감응 태양전지를 전기적으로 연결시키는 기술구성을 제공한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 기와의 단면도이고, 도 10은 도 9의 기와가 중첩된 경우에 대한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 기와의 투명부재 내에는 소정 각도로 꺽인 염료감응 태양전지 모듈을 포함하며, 이때 염료감응 태양전지 모듈의 두 기판 중 일 기판(211, 221)은 대응되는 타 기판(212, 222)보다 더 넓은 너비를 가진다. 상기 두 기판 사이에는 도 1, 2에 도시된 구조가 구비되며, 이는 당업자에게 자명한 바, 이하 생략한다. 두 기판 사이의 너비 차이에 따라 투명 전도성 전극이 적층된 일 기판(211, 221)은 보다 좁은 너비 타 기판의 측면으로 일부 노출되는데, 본 발명에서는 상기 노출된 기판 영역을 기와 간의 전기적 연결을 위한 영역으로 활용한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 일 기판(211, 221)과 이웃하는 또 다른 기와의 염료감응 태양전지 모듈의 일 기판은 금속부재에 의하여 전기적으로 연결되는데, 이를 위하여, 상기 기와의 두 모듈 중 어느 하나의 일 기판(즉, 넓은 너비의 기판)에는 전도성의 금속부재(310)가 투명부재로부터 소정 높이만큼 돌출되며, 상기 두 모듈 중 나머지 하나의 일 기판은 상기 돌출된 금속부재가 수용될 수 있는 홈(320)에 의하여 외부로 노출된다. 즉, 본 발명은 이러한 돌출 금속부재(310)와 투명부재에 형성된 홈(320)을 이용, 기와를 중첩하고, 전기적으로 상기 두 기와를 연결시킨다.
따라서, 본 발명이 일 실시예에서 상기 금속부재(310)는 상기 일 기판(211, 221)으로부터 수직 연장되며, 상기 수직 연장된 금속부재(310)는 상기 또 다른 기와 기와의 투명부재 내에 형성된 홈을 관통하여, 상기 또 다른 기와 내의 염료감응 태양전지 모듈의 일 기판(즉, 상면이 노출된 기판)과 접촉한다. 본 발명은 이러한 기술구성을 통하여, 기와의 중첩을 통한 염료감응 태양전지 모듈의 전기적 연결이 가능하고, 아울로, 상기 금속부재를 통하여 기와가 물리적으로 고정될 수 있다.
본 이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명이 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이와 균등하거나 또는 등가적인 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다 할 것이다.
210 : 염료감응 태양전지 모듈 220 : 염료감응 태양전지 모듈
230 : 연결부재 240 : 투명부재
250 : 전도성 라인 310 : 금속부재
320 : 홈

Claims (6)

  1. 서로 대향하며, 상부에 전도성 투명 전극이 증착된 두 개의 기판, 상기 두 개의 기판 각각에 구비된 반도체 전극과 이에 대향하는 상대 전극, 및 상기 반도체 전극과 상대 전극 사이에 구비된 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지 모듈을 이용한 기와로서, 상기 기와는
    두 개 이상의 염료감응 태양전지 모듈;
    상기 두 개 이상의 염료감응 태양전지 모듈을 구부러진 각도로 연결하는 전도성 연결부재; 및
    곡면 구조의 구부러진 기와 형상을 가지며, 상기 염료감응 태양전지 모듈 및 전도성 연결부재를 내부에 수용하는 투명부재를 포함하며, 여기에서 상기 전도성 연결부재는 중심을 기준으로 구부러지며, 양 측에 “ㄷ”자 형태의 홈이 구비되고, 상기 홈에 상기 염료감응 태양전지 모듈이 각각 수용되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈을 이용한 기와.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 “ㄷ”자 형태의 홈에는 상부에 전도성 투명 전극이 증착된 두 개의 기판 중 어느 하나가 수용되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈을 이용한 기와.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 연결부재는 길이방향으로 연장되어, 전도성 라인에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈을 이용한 기와.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전도성 라인에는 또 다른 기와로부터 연장된 전도성 연결부재가 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈을 이용한 기와.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 염료감응 태양전지 모듈의 두 기판 중 일 기판은 타 기판보다 더 넓은 너비를 가지며, 기와를 중첩시킴에 따라 상기 일 기판과 이웃하는 또 다른 기와의 염료감응 태양전지 모듈의 일 기판은 금속부재에 의하여 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈을 이용한 기와.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 금속부재는 상기 일 기판으로부터 수직 연장되며, 상기 기와를 중첩시킴에 따라 상기 중첩된 또 다른 기와의 염료감응 태양전지 모듈의 일 기판과 상기 금속부재는 접촉하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈을 이용한 기와.
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