KR20130010049A - 연료감응 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료감응 태양전지의 태양 에너지에서 전기 에너지로의 변환 효율을 향상시키는 혁신적인 방법을 기술한다.
본 발명에 따른 태양전지는 대전극(counter-electrode)(4)의 외표면(outer surface)에 광반사 코팅(6)을 페인팅함으로써 획득되는 필름을 나타낸다. 통상의 어떠한 색상의 페인트라도 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지는 투명한 전도성 레이어(1, 5)로 코팅된 두개의 유리 시트, 광전극(photoelectrode)(2), 전해질(electrolyte)(3), 대전극(counter-electrode)(4) 및 상기 광전극의 외표면에 적용되고 광반사 코팅(6)을 페인팅함으로써 획득되는 광반사 페인트 필름를 포함한다.
상기 대전극(4)의 외표면에 상기 반사 필름(6)을 적용하면 일련의 주목할만한 결과가 획득된다. 반사 필름으로서 흰 페인트를 코팅하면 상기 태양 전지의 효율을 30%이상 현저하게 증가시킨다.
본 발명에 따른 태양전지는 대전극(counter-electrode)(4)의 외표면(outer surface)에 광반사 코팅(6)을 페인팅함으로써 획득되는 필름을 나타낸다. 통상의 어떠한 색상의 페인트라도 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지는 투명한 전도성 레이어(1, 5)로 코팅된 두개의 유리 시트, 광전극(photoelectrode)(2), 전해질(electrolyte)(3), 대전극(counter-electrode)(4) 및 상기 광전극의 외표면에 적용되고 광반사 코팅(6)을 페인팅함으로써 획득되는 광반사 페인트 필름를 포함한다.
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Description
본 발명은 전지의 대전극의 외부에 페인트 필름을 코팅하고 상기 전지를 통과하는 광(light)의 반사를 할 수 있는 새로운 종류의 연료감응 태양전지를 기술한다.
이러한 전지는 태양 에너지를 전류로 전환할 수 있는 광전기 화학 전지(photoelectrochemical cell)이다.
연료감응 태양전지(DSC, Dye-sensitized solar cells)는 태양 에너지를 전류로 변환할 수 있는 광전기 화학전지이다. 1980년에 스코테임(Skotheim)은 연료감응 쇼트키 장벽(Schottky barrier) 태양 전지라고 일컬어지는 상대적으로 저 비용의 태양전지를 기술하였다. 그러나, 단지1991년에, 연료감응 태양전지가 발전(electricity generation)에서의 실제 포텐셜을 나타낸다는 브라이언 오리간(Brian O’Regan)과 마이클 그라첼(Michael Gratzel)에 의하여 개발된 저명한 연구는 주요 장점들로서 저비용 및 상대적으로 용이한 제조 공정을 나타낸다. 브라이언 오리간과 마이클 그라첼은 고 표면 영역(high surface area)에 TiO2의 나노파티클 필름을 사용했다. 이러한 구조는 흡수되는 연료(dye)의 양, 결과적으로 흡수되는 광자의 수를 증가시키고, 따라서, 7% 이상의 광전자의 변환효율이 달성된다. 이러한 종류의 광전기 화학전지의 공정 원리(operation principle) 및 그 제조공정은 마이클 그라첼과 그의 공동 집필자들에 의하여 US 4,927,721 및 US 5,084,365에 발표되었다
바람직한 연료감응 태양전지는 나노 입자들(nanoparticles)이 투명한 전도성 SnO2:F 필름(투명 코팅 산화물, TCO(Transparent Coating Oxide))으로 코팅된 유리 기질 상에 디포지션된(deposited) 다공성물질(mesoporous) 및 나노구조의 반도체 산화 필름(nanostructured semiconductive oxide film), 통상적으로 이산화 티타늄으로 구성된다. 나노결정질(nanocrystalline) 필름의 표면상으로 흡수되는 것은 태양 복사에너지의 흡수를 하는 연료의 단일층 ? 광전극이다. 연료의 광여기(photoexcitation)의 결과, 가전자대(valence band)로부터의 전자들은 상기 이산화 티타늄의 전도 밴드로 주입된다. 이러한 전자들은 그 후 상기 TiO2필름을 통과하여 확산되고, 전지의 외부 회로를 향하여 인도되는 상기 TCO에서 수집된다. 산화된 연료는 결과적으로 상기 광전극과 상기 대전극 사이의 공간을 채우는 전해질에 의하여 재생성된다. 바람직하게는 상기 전해질은 트리아이오다이드(triiodide)/아이오다이드(iodide) 산화환원(redox) 시스템을 포함하는 이온의 액상 솔벤트(ionic liquid solvent)의 용액으로 구성된다. 상기 트리아이오다이드 이온은 전자를 상기 연료로 전송하고, 재생하며, 아이오다이드 이온을 얻는다. 결과적으로, 상기 아이오다이드 이온은 전지의 외부 회로로 흐르는 전자들과 함께 트리아이오다이드 감소(triiodide reduction)를 통하여 백금(platinum) 대전극에서 스스로 재생된다. 따라서, 연료감응 태양전지는 어떠한 영구적인 화학 변형 없이도 태양으로부터 전기의 생성이 가능하다.
현재까지 태양광을 전류로 변환하는 연료감응 태양전지의 보고된 최대 효율은 단지 11% 이상이었다. 따라서, 그리고 이러한 타입의 태양전지의 상술한 장점들에도 불구하고, 전류 변환 효율을 위하여 반드시 태양 에너지의 낮은 값을 취해야 한다는 것이 고려된다. 이러한 한계를 극복하기 위한 한가지 해결방법은 흡수된 입사광(incident light)량을 증가시키는 것이다. 따라서, 더 효과적인 연료, 나노결정질 전극, 전해질 밑 대전극의 개발을 위하여 다른 노력이 이루어졌다. 한편, 광 흡수는 또한 광전극 투명도(photoelectrode transparency)를 위하여 제거될 입사광을 흩어지게(scatter) 할 수 있는 큰 TiO2입자 (~400nm 직경)로 만들어진 구조를 사용함으로써 향상되었다. 추가적으로, 쿠보(Kubo) 등에 의하여 제안된, N719혼합물과 백 연료(back dyes)가 사용되는, 텐덤전지(tandem cell)의 실시예는 스펙트럼 응답(spectral response)과 광전류, 그리고 결과적으로 전체적인 시스템의 효율 증가를 야기하였다.
고려되어야 할 다른 특징은 상기 연료감응 태양전지 전극 투명도이다(DSCs electrode transparency). 바록 투명한 전극들이 빌딩의 외측 창문에 연료감응 태양전지를 사용하는 것에 매우 유용하다 하더라도, 그것은 광(light)으로서의 광전극이 갑자기(sharply) 전송되어 통과할 때 완전히 흡수되지 못하기 때문에 입사방사선(incident radiation)의 일부를 손실한다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 나제루딘(Nazeeruddin) 등은 투명한 반도체를 통과하는 통과된 광의 일 부분을 반사할 수 있는 대전극을 개발하였다. 이러한 대전극은 스퍼터링(sputtering)에 의하여 2마이크로 미터 두께의 백금(platinum) 필름이 디포지션된(deposited) TCO 코팅된 전도성 유리를 포함한다. 그럼에도 불구하고, 이 디포지션 방법에서 요구된 백금의 양은 종래의 방법에서 요구된 양보다 상당히 높으며, 따라서, 원자재(raw material)로서의 백금이 비싸기 때문에 때문에 제조 비용을 상승시킨다. 게다가, 통상적으로 사용되는 열 분해에 의한 상당히 저 비용의 백금의 디포지션 방법은 투명한 필름에서 유래하기(originates) 때문에 이러한 목적으로 사용될 수 없다. 다른 저자는 대전극의 촉매 활동 증가를 그것의 광 반사 특성과 일제히 병합하려고 노력했다. 사실, 백금과 관련한 Ni-P와 티타늄(titanium) 기반의 구조를 포함하는 대전극의 준비(preparation )는 광 반사, 주로 스펙트럼의 적색 부분의 반사의 증가를 보여준다. 동일한 컨셉이 지(Ji) 등에 의하여 사용되었으나, 그의 필름은 알루미늄과 백금의 구조로 만들어졌다. 준비하기 쉽다 하더라도, 이러한 필름들은 그들의 낮은 전기 저항과 높은 광 반사율에 의하여 연료감응 태양전지의 효율에 상당한 향상을 가져온다. 그러나, 이 필름들은 연료감응 태양전지의 노화를 촉진하는 것으로 보인다. 2006년에 리우(Liu)등은 대전극의 외표면 상에 적용된 반사(reflective) 은(silver) 필름의 사용을 기술하였다. 이 방법은, 광전극을 통과하는 입사광의 일부분이 상기 은(silver) 필름에 의하여 반사된다. 광 흡수, 그리고 그 결과로 인한 태양 에너지의 전류 변환 효율의 상당한 증가가 관측되었다. 이 적용 방법이 상대적으로 쉽다 하더라도, 은 필름이 비싸다는것과, 야외의 품질저하(degradation)에 영향을 받기 쉽다는 것을 알아야 한다.
본 발명의 목적 중 하나는 대전극(4)의 외표면 상의 광 반사 필름(6)을 포함하는 연료감응 태양전지를 기술하는데 있다. 여기에서 상기 필름은 페인트 코팅에 의하여 획득된다. 공지의 연료감응 태양전지에서, 상기 전지를 통과하는 입사광 복사의 일부는 전류를 생성하지 않고 손실된다.
본 발명에 따르면, 대전극(4)의 외표면 상의 광 반사 필름(6)에 의하여 반사되는 광 복사는 흡수될 입사광의 큰 일부(greater fraction)를 고려하여 광전극(2)으로 회수된다(returned). 상기 페인트 코팅은 상기 광 반사를 놀랄만큼 최대화한다.
제안된 반사 필름의 적용에 있어서, 즉, 임의의 색깔의 고 반사 페인트를 사용할 때 놀라운 결과가 획득된다; 반사 필름으로서 흰 페인트의 레이어의 적용은 이 전지들의 효율을 30% 이상 상당히 증가시킨다. 시나쿠아(CINAQUA?) 흰색 페인트의 사용시 최대의 결과가 얻어진다.
본 발명의 목적은 바람직하게는 고반사율, 바람직하게는80%이상의 반사율, 더 바람직하게는 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99의 반사율을 갖는, 더 바람직하게는 시나쿠아(CINAQUA?)와 같은 흰색 페인트인 광 반사 페인트 코팅의 상술한 연료감응 태양전지의 적용에 있다.
본 발명은 다음을 포함하는 연료감응 태양전지를 기술한다.
전해질 불침투성(impervious) 물질로 이루어지고, 전지(1, 5)를 보호할 수 있으며, 투명하고 전도성의 레이어로 코팅된 내표면을 갖는 두개의 레이어; 바람직하게는, 유리 또는 PET(polyethylene terephthalate)로 만들어지는 두개의 레이어들;
광전극(2), 바람직하게는 연료감응 나노입자화된 이산화 티타늄(titanium dioxide);
전극(3), 바람직하게는 트리아이오다이드/아이오다이드 산화환원 시스템;
대전극(4), 바람직하게는 백금 박막(thin layer), 바람직하게는 5나노미터 이상 500나노미터 이하의 두께 이거나, 알루미늄으로 도핑되거나(doped) 도핑되지 않은 나노구조의 탄소 입자;
상기 광 반사 레이어(6)는 대전극(4)의 외표면 상에 적용된다.
본 발명은 연료감응 태양전지의 태양 에너지에서 전기 에너지로의 변환 효율을 향상시키는 혁신적인 방법을 기술한다.
본 발명에 따른 태양전지는 대전극(counter-electrode)(4)의 외표면(outer surface)에 광반사 코팅(6)을 페인팅함으로써 획득되는 필름을 나타낸다. 통상의 어떠한 색상의 페인트라도 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지는 투명한 전도성 레이어(1, 5)로 코팅된 두개의 유리 시트, 광전극(photoelectrode)(2), 전해질(electrolyte)(3), 대전극(counter-electrode)(4) 및 상기 광전극의 외표면에 적용되고 광반사 코팅(6)을 페인팅함으로써 획득되는 광반사 페인트 필름를 포함한다.
상기 대전극(4)의 외표면에 상기 반사 필름(6)을 적용하면 일련의 주목할만한 결과가 획득된다. 반사 필름으로서 흰 페인트를 코팅하면 상기 태양 전지의 효율을 30%이상 현저하게 증가시킨다.
본 발명의 쉬운 이해를 위하여 본 발명의 바람직한 실시예, 그러나 본 발명의 범위를 한정하지는 않는 실시예가 도시된다.
도 1은 연료감응 태양전지를 나타낸다. 대전극(4)의 외표면상의 페인트 코팅에 의하여 적용된 반사 필름(6)은 이 전지들의 효율을 상당히 증가시킨다.
도 1은 연료감응 태양전지를 나타낸다. 대전극(4)의 외표면상의 페인트 코팅에 의하여 적용된 반사 필름(6)은 이 전지들의 효율을 상당히 증가시킨다.
본 발명은 제조비용의 상당한 증가 없이, 입사광의 고 흡수율과 이에 따른 고 효율을 포함하는 연료감응 태양전지(DSC, dye-sensitized solar cell)을 제안한다. 이를 위하여, 본 발명은 대전극(4)의 외표면에 페인팅함으로써 적용되는 광 반사 필름(6)의 사용, 바람직하게는 저 비용의 물질의 사용을 기술한다. 광전극(2)을 통과하는 입사 복사의 일부는 흡수되지 않고 손실되고, 반사 레이어는 광양극(photoanode)으로의 복귀(return)를 야기하여, 상기 복사를 흡수하는 두번째 상황을 제공한다는 것에 유념해야 한다. 본 발명은 대전극의 외표면상에 적용되는 반사 레이어로서 페인트, 바람직하게는 흰색 그리고 야외에 적용하기 알맞은 페인트의 사용을 기술한다. 상기 페인트의 반사 레이어는 또한 보호제로서 작용하고, 높은 광 반사율을 가져야 한다. 그러나, 비록 낮은 광 반사율을 가진다 하더라도 흰색이 아닌 다른 색깔의 페인트 필름이 미적인(aesthetic) 목적으로 사용될 수 있다. 상기 대전극(4)의 외표면상의 반사 필름의 적용은 대전극(4) 보조(support)의 품질저하를 최소화하는데 도움을 주는 추가적인 장점을 갖는다.
본 발명은 태양에너지를 전기에너지로 변환하는것에 관한 증가된 효율을 갖는 연료감응 태양전지를 기술한다.
본 발명의 태양 전지는 대전극(4)의 외표면상에 광 반사 코팅(6)을 페인팅함으로써 획득되는 필름을 포함한다. 상기 코팅은 통상의 임의의 색깔의 페인트이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 전지의 목적(object)은 투명한 전기전도성 레이어(1, 5)로 코팅된 두개의 유리 시트, 광전극(2), 전극(3), 대전극(4) 및 상기 대전극(4)의 외표면상에 적용되는 비-반사(non-reflective) 필름을 포함한다. 이 필름은 광 반사 코팅(6)을 페인팅함으로써 획득된다.
현재, 입사광의 상당부분이 전류로 변환되지 않고 손실된다. 본 발명은 대전극(4)에 반사 필름(6)을 추가함으로써, 이러한 손실을 최소화하는 간단한 방법을 기술한다. 이러한 반사 필름(6)의 적용에 따라, 놀라운 결과가 획득된다; 반사 필름(6)으로서 흰색 페인트 레이어를 페인팅하는것에 의한 적용은 이 전지들의 효율을 30%이상 상당히 증가시킨다.
따라서, 여기에 기술된 페인트 필름의 사용은 특히 전면과 천정면(facades and rooftops)과 같은 연료감응 전지의 반투명(semi-transparency) 특성이 정해지지 않은 위치에 적절한 적용을 찾는다. 전면의 경우, 다른 색깔의 반사 필름들의 적용은 매우 낮은 비용으로 효율을 상승시킴과 동시에 미적인 효과를 제공할 수 있다. 흰색 반사 페인트의 사용은 연료감응 태양전지의 효율을 30%이상 현저히 증가시킨다.
본 발명의 더 나은 이해를 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예가 이하 기술된다. 그러나, 본 발명의 범위는 여기에 한정되지 않는다.
실시예 1
이 실시예는 반사 필름으로서 CIN, SA의 비닐 매트(Vinil Matt?)페인트의 적용을 나타낸다. 페인트 제조자의 지시를 따라 대전극의 외표면상에 두개의 코팅(Two-coats)이 적용된다. 연료감응 전지는 일면이 투명한 전도성 레이어로 코팅된 두개의 유리 시트를 포함한다. 유리 시트중 하나에 그리고 전도성 레이어의 상부에 20나노미터 직경의 TiO2입자들의 7마이크로미터 두께의 레이어가 적용되고, 그 위에 400나노미터 직경의 TiO2입자들의 5 마이크로미터 두께의 레이어가 적용된다. 신터링(소결, sintering) 후, 연료 N719는 반도체의 표면에 흡수된다. 광전극은 듀퐁사의 써린(Surlyn)의 25마이크로미터 두께의 투명한 링을 사용하여 대전극으로 봉인된다(sealed). 상기 대전극(4)는 제2유리시트를 백금 용액 필름이 디포지션되는 곳에 사용하여 준비된다. 백금 디포지션 후에, 상기 백금 필름은 매우 얇기 때문에 투명한 상기 대전극은 투명한 상태로 남는다. 전극들 사이의 공간은 BMII;PMI-TFSI;γ-BL(2;3;1)vol/vol의 혼합물 내의 아이오딘(iodine)(0.1M)과 N-메틸벤지미다졸(methylbenzimidazol)(0.5M)으로 이루어진 전해질(3)로 채워진다.
반사 필름 없는 단일 연료감응 태양전지는 13.7mA·cm-2의 광전류(photocurrent)와 6.3%의 효율을 산출한 반면, 반사 필름 페인트 코팅은 16.9 mA.cm-2 의 광전류와 7.8%의 효율을 산출하였다. 이 값들은 1000 W m-2의 방사속(radiant power) 및 AM1.5의 기단(air mass)을 위하여 측정되었다.
상기 도면은 다음을 나타낸다.
(1)은 전도성 필름(DSC 광전극의 보조로 작용하는 TCO)으로 코팅된 유리 시트를 나타낸다.
(2)는 광전극, 연료감응 반도체(광양극, photoanode)을 나타낸다.
(3)은 상기 광전극과 상기 대전극 사이의 공간을 채우는 전해질을 나타낸다.
(4)는 대전극(백금 촉매)를 나타낸다.
(5)는 DSC 대전극의 보조로서 작용하는 전도성 필름(TCO)로 코팅된 유리 시트를 나타낸다.
(6)은 상기 대전극을 지지하는 유리 시트의 외표면 상에 적용되는 광 반사 필름을 나타낸다.
(1)은 전도성 필름(DSC 광전극의 보조로 작용하는 TCO)으로 코팅된 유리 시트를 나타낸다.
(2)는 광전극, 연료감응 반도체(광양극, photoanode)을 나타낸다.
(3)은 상기 광전극과 상기 대전극 사이의 공간을 채우는 전해질을 나타낸다.
(4)는 대전극(백금 촉매)를 나타낸다.
(5)는 DSC 대전극의 보조로서 작용하는 전도성 필름(TCO)로 코팅된 유리 시트를 나타낸다.
(6)은 상기 대전극을 지지하는 유리 시트의 외표면 상에 적용되는 광 반사 필름을 나타낸다.
Claims (8)
- 대전극(4)의 외표면상에 디포지션된(deposited) 광 반사 필름(6)을 포함하고,
상기 필름은 코팅을 페인팅함으로써 획득되는 것을 특징으로 하는 연료감응 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
전극(3)에 대한 불침투성(impervious) 물질로 이루어지고, 전지(1, 5)를 보호할 수 있으며, 그 내표면은 투명한 전도성 레이어로 코팅된 두개의 레이어;
전해질(3); 및
대전극(4)을 더 포함하고,
상기 광 반사 레이어(6)는 상기 대전극의 외표면상에 적용되는 것을 특징으로 하는 연료감응 태양전지.
- 제 2항에 있어서,
상기 두 레이어(1, 5)의 물질은 유리 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, polyethylene terephthalate)인 것을 특징으로 하는 연료감응 태양전지.
- 제 2항에 있어서,
상기 광전극(2)는 연료감응 나노입자화된 이산화 티타늄(dye-sensitized nanoparticulated titanium dioxide)인 것을 특징으로 하는 연료감응 태양전지.
- 제 2항에 있어서,
상기 전해질(3)은 트리아이오다이드/아이오다이드 산화환원 쌍(redox pair)인 것을 특징으로 하는 연료감응 태양전지.
- 제 2항에 있어서,
상기 대전극(4)은 5나노미터 내지 500나노미터 사이의 두께를 가진 얇은 백금 레이어(thin platinum layer) 또는, 백금 입자들로 도핑되거나(doped) 도핑되지 않은 나노구조화된 탄소 입자들인 것을 특징으로 하는 연료감응 태양전지.
- 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반사 코팅은 고 반사율 페인트이고, 바람직하게는 80% 이상의 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 연료감응 태양전지.
- 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 페인트는 흰색인 것을 특징으로 하는 연료감응 태양전지.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PT104996 | 2010-03-09 | ||
| PT2010104996 | 2010-03-09 | ||
| PCT/IB2011/050945 WO2011110991A1 (en) | 2010-03-09 | 2011-03-07 | Dye-sensitized solar cells |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20130010049A true KR20130010049A (ko) | 2013-01-24 |
Family
ID=47839418
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020127026418A KR20130010049A (ko) | 2010-03-09 | 2011-03-07 | 연료감응 태양전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20130010049A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108075004A (zh) * | 2016-11-11 | 2018-05-25 | 阿特斯阳光电力集团有限公司 | 双玻光伏组件 |
-
2011
- 2011-03-07 KR KR1020127026418A patent/KR20130010049A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108075004A (zh) * | 2016-11-11 | 2018-05-25 | 阿特斯阳光电力集团有限公司 | 双玻光伏组件 |
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