KR20130023027A - 광전변환모듈 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 광전변환모듈 및 그 제조방법이 개시된다. 상기 광전변환모듈은, 공통 기판 상에서 서로에 대해 이격된 적어도 둘 이상의 광전 셀들을 포함하되, 광전 셀은, 공통 기판 상의 제1 전극과, 적어도 일부가 제1 전극 상에 형성된 실링 부재와, 실링 부재 상의 제2 전극과, 광전 셀의 제2 전극을 이웃하는 광전 셀의 제1 전극 또는 제2 전극에 전기적으로 연결하는 접속 부재를 포함하고, 실링 부재는, 제1 전극 또는 공통 기판 중 적어도 하나와 제2 전극과 함께, 광전 셀의 내부를 둘러싼다.
본 발명에 의하면, 다수의 광전 셀들이 모듈화된 광전변환모듈에서 제조 공정 수가 절감되도록 구조가 개선된 광전변환모듈 및 그 제조방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 다수의 광전 셀들이 모듈화된 광전변환모듈에서 제조 공정 수가 절감되도록 구조가 개선된 광전변환모듈 및 그 제조방법이 제공된다.
Description
본 발명은 광전변환모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 화석연료를 대체하는 에너지의 원천으로서, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전변환소자에 대해 다양한 연구가 진행되고 있으며, 태양광을 이용하는 태양전지가 많은 주목을 받고 있다.
다양한 구동원리를 갖는 태양전지들에 대한 연구가 진행되고 있는데, 그 중에서 반도체의 p-n 접합을 이용하는 웨이퍼 형태의 실리콘 또는 결정질 태양전지는 가장 많이 보급되고 있으나, 고순도의 반도체 재료를 형성 및 취급한다는 공정의 특성상 제조단가가 높다는 문제가 있다.
실리콘 태양전지와 달리, 염료 감응형 태양전지는 가시광선의 파장을 갖는 빛이 입사하면 이를 받아 여기 전자를 생성할 수 있는 감광성 염료와, 여기된 전자들을 받아 들일 수 있는 반도체 물질, 그리고 외부회로에서 일을 하고 돌아오는 전자와 반응하는 전해질을 주된 구성으로 하며, 종래 태양전지에 비해 비약적으로 높은 광전변환효율을 갖고 있어 차세대 태양전지로 기대되고 있다.
본 발명의 일 실시형태는 다수의 광전 셀들이 모듈화된 광전변환모듈에서 제조 공정 수가 절감되도록 구조가 개선된 광전변환모듈 및 그 제조방법을 포함한다.
상기와 같은 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 광전변환모듈은,
공통 기판 상에서 서로에 대해 이격된 적어도 둘 이상의 광전 셀들을 포함하되,
상기 광전 셀은,
상기 공통 기판 상의 제1 전극;
적어도 일부가 상기 제1 전극 상에 형성된 실링 부재;
상기 실링 부재 상의 제2 전극; 및
상기 광전 셀의 제2 전극을, 이웃하는 광전 셀의 제1 전극 또는 제2 전극에 전기적으로 연결하는 접속 부재를 포함하고,
상기 실링 부재는, 상기 제1 전극 또는 공통 기판 중 적어도 하나와 상기 제2 전극과 함께, 상기 광전 셀의 내부를 둘러싼다.
예를 들어, 상기 광전변환모듈은, 불연속적인 기판을 포함하지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 공통 기판은 연속적으로 형성된 단일 기판일 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 전극은, 촉매층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 전극은, 상기 촉매층 상의 금속층을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 접속 부재와 제2 전극은 일체적으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 접속 부재는 유연한 도전 소재를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 접속 부재는 유연하게 벤딩되고, 이웃하는 광전 셀들 사이의 개방공간에 현수될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 전극의 일부는 상기 광전 셀의 내부를 둘러싸는 실링 부재를 벗어나 연장될 수 있다.
예를 들어, 상기 실링 부재를 벗어나 연장된 제1 전극의 일부에 상기 접속 부재가 접속될 수 있다.
예를 들어, 상기 공통 기판은 투명 소재를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 전극은,
상기 공통 기판 상의 투명 전도막; 및
상기 투명 전도막 상의 그리드 패턴;을 포함하고,
상기 그리드 패턴은 상기 광전 셀의 내부에서 서로에 대해 이격된 복수의 휭거 전극들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 그리드 패턴은 상기 휭거 전극들과 연결된 집전 전극을 더 포함하고, 상기 집전 전극의 적어도 일부는 상기 광전 셀의 내부 밖에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 광전변환모듈은, 광전 셀의 내부에 배치되는 반도체층과 전해질을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광전변환모듈은, 상기 반도체층에 흡착된 감광성 염료를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 광전변환모듈의 제조방법은,
적어도 둘 이상의 광전 셀을 포함하는 광전변환모듈의 제조방법으로서,
공통 기판 상에 상기 적어도 둘 이상의 광전 셀의 제1 전극을 형성하되, 서로에 대해 이격된 제1 전극을 형성하는 단계;
적어도 일부가 상기 제1 전극 상에 형성된 실링 부재를 형성하는 단계;
상기 적어도 둘 이상의 광전 셀을 커버하는 원소재 플레이트를 형성하는 단계; 및
상기 원소재 플레이트를 다수의 전극부로 개별화하는 단계;를 포함하고,
상기 개별화하는 단계에서, 상기 각 전극부는, 공통 기판 또는 제1 전극 중 적어도 하나와 실링 부재와 함께, 광전 셀의 내부를 둘러싸는 제2 전극을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 개별화하는 단계에서는, 펀칭 또는 스템핑에 의해 원소재 플레이트를 다수의 전극부들로 절단할 수 있다.
예를 들어, 상기 전극부는 상기 제2 전극과 함께 일체적으로 형성된 접속 부재를 더 포함하고,
상기 개별화하는 단계에서는, 상기 접속 부재가, 이웃하는 광전 셀의 제1 전극 상으로 벤딩될 수 있다.
예를 들어, 상기 광전변환모듈의 제조방법은, 상기 접속 부재를 이웃하는 광전 셀의 제1 전극에 전기적으로 접속하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 접속 부재는, 용접 또는 전도성 접착제를 이용하여, 이웃하는 광전 셀의 제1 전극에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서는 모듈화된 일군의 광전 셀들을 구조적으로 지지해주는 지지체로서 하나의 기판을 이용하고, 하나의 기판상에 순차적으로 수행되는 성막 공정을 통하여 광전변환모듈을 완성하므로, 제조 공정 수가 절감될 수 있다. 또한, 이웃한 광전 셀들 사이에 개재된 개방된 공간을 통하여 광전 셀들을 서로 접속시킴으로써 종래의 광전 셀들을 연결시키기 위한 복잡한 접속구조나 이를 형성하기 위한 제조단계가 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 광전변환모듈의 평면 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 광전변환모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 일 광전 셀을 확대하여 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 도 1의 IV-IV 선을 따라 취한 단면도이다.
도 5는 도 1의 V-V 선을 따라 취한 단면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 광전변환모듈의 변형된 실시형태를 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 광전변환모듈의 분해 사시도이다.
도 8은 도 7의 VIII-VIII 선을 따라 취한 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 상대 전극 및 접속 부재의 형성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 다른 측면에 따른 광전변환모듈의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단계별 단면도들이다.
도 11은 도 10c에 도시된 광전변환모듈의 변형된 실시형태를 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 광전변환모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 일 광전 셀을 확대하여 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 도 1의 IV-IV 선을 따라 취한 단면도이다.
도 5는 도 1의 V-V 선을 따라 취한 단면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 광전변환모듈의 변형된 실시형태를 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 광전변환모듈의 분해 사시도이다.
도 8은 도 7의 VIII-VIII 선을 따라 취한 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 상대 전극 및 접속 부재의 형성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 다른 측면에 따른 광전변환모듈의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단계별 단면도들이다.
도 11은 도 10c에 도시된 광전변환모듈의 변형된 실시형태를 보여주는 단면도이다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시형태에 관한 광전변환모듈 및 그 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 관한 광전변환모듈의 평면구조를 보여주는 도면이다. 도 2는 도 1에 도시된 광전변환모듈의 분해 사시도이다. 도 3은 도 2에 도시된 일 광전 셀을 보다 확대하여 도시한 분해 사시도이다.
도면들을 참조하면, 상기 광전변환모듈은 하나의 공통 기판(110)상에 형성된 복수의 광전 셀(S)들을 포함한다. 상기 공통 기판(110)은 장방형 플레이트 형상으로 마련될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들어, 상기 공통 기판(110)은 정방형 형상을 포함하는 다양한 형상으로 마련될 수 있음은 물론이다.
상기 공통 기판(110)상에는 다수의 광전 셀(S)들이 종횡 방향을 따라 2차원적으로 배열되어 있다. 예를 들어, 상기 광전 셀(S)들은 공통 기판(110)의 종횡방향을 따라 3 x 2 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 예를 들어, 공통 기판(110)의 장변 방향(Z1 방향)으로 따라 3개의 광전 셀(S)들이 인접하게 배치되고, 공통 기판(110)의 단변 방향(Z2 방향)을 따라 2개의 광전 셀(S)들이 인접하게 배치된다. 그러나, 이는 설명의 편의를 위한 일 예시에 불과하며, 광전변환모듈의 전체 발전전력에 상응하는 개수의 광전 셀(S)들이 다양한 형태로 배열될 수 있다.
상기 광전변환모듈은 모듈 단위의 구조적 지지체로서 단일 기판(상기 공통 기판 110에 해당)을 포함하는 구조이다. 여기서, 단일 기판이란, 불연속적으로 구분되거나 단절된 기판이 아니며 연속적인 기판이라는 의미이다. 예를 들어, 상기 단일 기판 또는 공통 기판(110)은, 다수의 광전 셀(S)들이 공유하는 하나의 연속적인 기판이다.
예를 들어, 상기 공통 기판(110)은 빛이 입사되는 수광면 측에 형성될 수 있으며, 이면 측에는 모듈 단위의 구조적인 지지체로서 이웃하는 광전 셀(S)들에 공유되는 기체 또는 기판이 마련되지 않는다. 예를 들어, 광전변환모듈의 이면 측에는 기판 없이 상대 전극(125)이 노출되어 있다. 즉, 상기 광전변환모듈의 이면에는 광전 셀(S)들 마다 개별화된 불연속적인 기판이 형성되지 않는다.
상기 공통 기판(110)은 투명 소재로 형성될 수 있고, 높은 광 투과율을 갖는 소재로 형성될 수 있다. 상기 공통 기판(110)은 각 광전 셀(S)들에 대해 공유되는데 반하여, 상기 공통 기판(110)과 마주하게 배치되는 상대 전극(125)은 각 광전 셀(S) 마다 개별화되어 있다.
제안된 구조에서는 하나의 기판(공통 기판 110)을 이용하고 하나의 기판상에 순차적으로 수행되는 성막 공정을 통하여 차례로 층 구조를 적층함으로써 광전변환모듈을 완성한다. 종래에는 제1 기판 및 제2 기판 측에 전극 구조를 형성한 다음, 이들 제1, 제2 기판을 서로 마주하게 배치하고, 이들 사이에 실링 부재를 개재하여 제1, 제2 기판을 봉착시키는 봉착공정을 수행하였으나, 본 발명에서는 하나의 공통 기판(110)을 기반으로 하므로, 상기와 같은 봉착공정이 생략될 수 있다.
일군의 광전 셀(S)들은 하나의 공통 기판(110)상에 배열됨으로써 구조적으로 모듈화되며, 접속 부재(130)를 이용하여 상호 전기적으로 결속됨으로써 전기적으로 모듈화된다. 서로 이웃한 광전 셀(S)들은 접속 부재(130)를 이용하여 서로에 대해 직렬 접속 또는 병렬 접속됨으로써 모듈화될 수 있다. 예를 들어, 이웃한 광전 셀(S)들 사이에서 광 전극(115)과 상대 전극(125)을 접속 부재(130)를 이용하여 서로에 대해 결속시킴으로써 이웃한 광전 셀(S)들 간의 접속이 이루어질 수 있다.
참고적으로, 청구범위 상에 기재된 제1 전극 및 제2 전극은 상기 광 전극(115) 및 상대 전극(125)을 각각 의미할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들어, 제1 전극 및 제2 전극은 각각 상대 전극(125) 및 광 전극(115)을 의미할 수도 있다.
상기 광전 셀(S) 내부에는 전해질(150)이 충진되어 있으며, 광전 셀(S)의 테두리를 따라 배치되는 실링 부재(119)에 의해 내부에 충진된 전해질(150)이 밀봉된다. 상기 실링 부재(119)는 각 광전 셀(S)의 테두리를 따라 연장 형성되며, 전해질(150)을 포위하여 외부로 누출되지 않도록 밀봉하고 있다. 보다 구체적으로, 상기 실링 부재(119)는 공통 기판(110)과 개별화된 다수의 상대 전극(125)들 사이에 배치되며, 실링 부재(119)를 통하여 공통 기판(110)과 개별화된 상대 전극(125)들이 서로 결합되며 전해질(150)을 수용하는 내부를 밀봉한다. 상기 일군의 광전 셀(S)들은 서로 개별적으로 밀봉되며, 각 광전 셀(S)에 내포된 전해질(150), 즉, 상기 실링 부재(119)에 의해 밀봉되는 전해질(150)은 각 광전 셀(S) 마다 전용이며, 이웃한 광전 셀(S)로 유동하지 않도록 각 광전 셀(S)들은 서로 독립적으로 밀봉된다.
공통 기판(110)상에 형성된 다수의 광전 셀(S)들은 개방공간(OP)을 개재하여 서로 이웃하게 배열되어 있다. 상기 개방공간(OP)은 일군의 광전 셀(S)들이 형성된 공통 기판(110)상에 형성되며, 이웃한 광전 셀(S)들을 밀봉하는 실링 부재(119)들 사이의 공간이 될 수 있으며, 외부를 향하여 열린 개방된 공간을 형성할 수 있다. 상기 개방공간(OP)을 개재하여 각 광전 셀(S)들은 서로에 대해 이격되게 배열된다.
상기 광전 셀(S) 내부에는 광전변환을 수행하기 위한 기능층들이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 광전 셀(S) 내부에는 입사광으로부터 여기 전자들을 생성하기 위한 반도체층(117)과, 생성된 전자들을 취합하여 외부로 인출하기 위한 전극 구조를 포함한다. 상기 전극 구조의 일부로서, 광전 셀(S) 내부에는 그리드 패턴(114)이 형성될 수 있다.
도 3에서 볼 수 있듯이, 상기 그리드 패턴(114)은, 예를 들어, 일 방향(Z1 방향)을 향해 나란하게 연장되는 다수의 휭거 전극(114a)들과, 상기 휭거 전극(114a)들의 외측에서 휭거 전극(114a)들과 교차하는 방향(Z2 방향)으로 연장되는 집전 전극(114c)을 포함할 수 있다. 상기 집전 전극(114c)의 일부는 실링 부재(119)에 의해 둘러싸인 광전 셀(S)의 내부에서 벗어나 외부로 노출될 수 있으며, 노출된 집전 전극(114c)을 통하여 접속 부재(130)가 접속될 수 있다. 다만, 후술하는 바와 같이, 상기 집전 전극(114c)은 광 전극(115)의 일부로서 형성되며, 집전 전극(114c) 이외의 다양한 광 전극(115)의 영역이 접속 부재(130)와 접점을 형성할 수 있음은 물론이다.
서로 이웃하는 광전 셀(S)들은 접속 부재(130)를 통하여 서로 전기적으로 결속되는데, 예를 들어, 각 접속 부재(130)는 일 광전 셀(S)의 상대 전극(125)과, 이웃한 광전 셀(S)의 광 전극(115)을 서로 전기적으로 연결시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 일 광전 셀(S)의 상대 전극(125)에 접속된 일단으로부터 연장된 접속 부재(130)의 타단은 이웃한 광전 셀(S)로 연장되며, 이웃한 광전 셀(S)의 광 전극(115)에 접속된다. 상기 광 전극(115)의 일부는 실링 부재(119)의 외측으로 노출되며, 노출된 광 전극(115)을 이용하여 접속 부재(130)가 접속될 수 있다.
도 4는 도 1의 IV-IV 선을 따라 취한 단면도이다. 도 5는 도 1의 V-V 선을 따라 취한 단면도이다. 도면을 참조하면, 일군의 광전 셀(S)들을 모듈 단위로 지지해주는 지지체로서의 공통 기판(110)이 마련되고, 상기 공통 기판(110)상에는 빛에 의해 여기되는 감광성 염료를 흡착한 반도체층(117)과, 상기 반도체층(117)을 사이에 두고 수광면 측과 이면 측에서 서로 마주하도록 배치되는 광 전극(115) 및 상대 전극(125)이 마련된다. 그리고, 상대 전극(125)과 반도체층(117) 사이에는 전해질(150)이 개재된다. 상기 공통 기판(110)상에 배열된 일군의 광전 셀(S)들은 접속 부재(130)를 통하여 이웃한 광전 셀(S)들과 전기적으로 연결되며, 직렬 접속 또는 병렬 접속을 통하여 모듈화될 수 있다.
상기 공통 기판(110)은 투명 소재로 형성될 수 있고, 보다 구체적으로, 유리 소재의 글라스 기판이나 수지 필름으로 구성될 수 있다. 상기 수지 필름은 통상 가요성을 갖기 때문에 유연성이 요구되는 용도에 적합하다.
상기 공통 기판(110)상에는 각 광전 셀(S)에 대응하여 광 전극(115)이 형성되어 있다. 상기 광 전극(115)은 각 광전 셀(S) 마다 개별화되어 있으며, 공통 기판(110)상에서 소정간극을 사이에 두고 서로 이격되어 있다. 광 전극(115)이 각 광전 셀(S) 마다 개별화된다는 것은, 서로 이웃한 광전 셀(S)들 간에 간섭이 발생하지 않도록 서로 전기적으로 분리되어 있다는 것을 의미한다.
상기 광 전극(115)은 투명 도전막(111)과, 상기 투명 도전막(111) 상에 형성된 그리드 패턴(114)을 포함할 수 있다. 상기 투명 도전막(111)은 투명성과 전기 전도성을 겸비한 소재로 형성되며, 예를 들어, ITO, FTO, ATO 등의 TCO(Transparent Conducting Oxide)로 형성될 수 있다. 상기 투명 도전막(111)은 공통 기판(110)상에 직접 형성될 수 있으며, 공통 기판(110)상에서 각 광전 셀(S)에 대응하여 소정간극을 사이에 두고 이격되게 형성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 투명 도전막(111)은 공통 기판(110)상의 거의 전체 면적에 걸쳐서 일괄적으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 레이저 스크라이빙(laser scribing)과 같은 개별화 공정을 통하여 각 광전 셀(S) 단위마다 투명 도전막(111)을 분리시킬 수 있다.
상기 그리드 패턴(114)은 광 전극(115)의 전기 저항을 낮추기 위해 도입된 것이며, 광전변환작용에 따라 생성된 전자들을 수취하여 저 저항의 전류패스를 제공한다. 예를 들어, 상기 그리드 패턴(114)은 전기 전도성이 우수한 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 등의 금속소재로 형성될 수 있다.
도 3에서 볼 수 있듯이, 상기 그리드 패턴(114)은 실링 부재(119)에 의해 포위된 광전변환영역 내에 형성되는 다수의 휭거 전극(114a)들과, 상기 휭거 전극들의 외측에서 휭거 전극(114a)들을 가로지르는 방향으로 연장되며 휭거 전극(114a)들을 하나의 공통배선으로 취합하는 집전 전극(114c)을 포함한다. 상기 휭거 전극(114a)은 제1 방향(Z1 방향)을 따라 평행하게 연장되는 스트라이프(stripe) 패턴으로 형성될 수 있으며, 상기 집전 전극(114c)은 상기 제1 방향(Z1 방향)과 교차하는 제2 방향(Z2 방향)을 따라 연장될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들어, 상기 휭거 전극(114a)은 매쉬(mesh) 형상으로 패턴화될 수 있다. 한편, 도면에 도시되어 있지는 않지만, 상기 그리드 패턴(114)의 외표면에는 보호층(미도시)이 더 형성될 수 있다. 상기 보호층(미도시)은 그리드 패턴(114)이 전해질(150)과 접촉하여 반응함으로써 그리드 패턴(114)이 부식되는 등 전극 손상이 일어나는 것을 방지하는 기능을 한다. 상기 보호층(미도시)은 전해질(150)과 반응하지 않는 물질로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 경화성 물질로 구성될 수 있다.
상기 집전 전극(114c)은 이웃한 광전 셀(S)들 간의 전기접속을 위해 적어도 일부가 실링 부재(119)의 외부로 노출될 수 있다. 예를 들어, 상기 집전 전극(114c)은 그 전부가 실링 부재(119)의 외부에 형성될 수 있으며, 또는 그 일부만이 실링 부재(119)의 외부로 인출될 수도 있고, 상기 외부로 노출된 부분은 광 전극(115)의 단자부를 구성하게 된다. 상기 단자부는 접속 부재(130)와의 접속을 위한 단자영역을 제공하며, 접속 부재(130)와의 접점을 형성할 수 있다. 일 실시형태에서는, 광 전극(115)의 단자부로서 집전 전극(114c)이 접속 부재(130)와 접점을 형성하는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 집전 전극(114c) 이외의 다른 광 전극(115) 부분이 접속 부재(130)와 접점을 형성하는 것도 가능함은 물론이다.
도 4에서 볼 수 있듯이, 공통 기판(110)상에 형성된 일군의 광전 셀(S)들은 서로 직렬/병렬로 접속되어 모듈화되는데, 예를 들어, 이웃한 광전 셀(S)들의 상대 전극(125)과 광 전극(115)이 서로 전기적으로 결속되어 직렬 접속을 형성할 수 있다. 이때, 일군의 광전 셀(S)들 중에서 접속 부재(130)와 접점을 형성하지 않는 상대 전극(125) 및 광 전극(115)은, 모듈화된 일군의 광전 셀(S)들 전체와 외부회로(미도시)와의 인터페이스를 형성하게 된다. 예를 들어, 도 1에서 볼 수 있듯이, 공통 기판(110)의 일단부(상단부)에 배치된 광전 셀(S)들을 통하여 외부회로(미도시)와 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 공통 기판(110)의 일단부에 배치된 어느 일 광전 셀(S)의 광 전극(115)과, 다른 일 광전 셀(S)의 상대 전극(125)은, 직접 외부회로(미도시)와 접속되거나 또는 별도의 접속단자(미도시)를 통하여 외부회로(미도시)와 전기적으로 연결될 수 있다. 다만, 광전변환모듈과 외부회로(미도시)와의 인터페이스는, 광전 셀(S)들의 배치상태에 따라, 그리고, 외부 접속단자(미도시)의 구성에 따라 임의로 선택된 광전 셀(S)들을 통하여 이루어질 수 있으며, 도면에 예시된 바에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 4를 참조하여 광 전극(115)의 형성에 관하여 설명하면, 예를 들어, 공통 기판(110)의 전체영역에 대해 투명 도전막(111)을 일괄적으로 형성한 후, 레이저 스크라이빙(laser scribing)을 수행하여 각 광전 셀(S) 마다 투명 도전막(111)을 개별화시킬 수 있다. 그리고, 개별화된 투명 도전막(111) 상에 그리드 패턴(114)을 형성함으로써 광 전극(115)을 형성할 수 있다.
상기 광 전극(115)은 광전 셀(S)의 음극으로 기능하며, 높은 개구율을 갖는 것이 바람직하다. 광 전극(115)을 통하여 입사된 빛은 반도체층(117)에 흡착된 감광성 염료의 여기원으로 작용하므로, 허용되는 많은 빛을 입사시킴으로써 광전변환효율을 높일 수 있다.
상기 광 전극(115) 상에는 공통 기판(110)을 통하여 입사된 빛으로부터 여기 전자들을 생성하기 위한 반도체층(117)이 형성될 수 있다. 상기 반도체층(117)은, 예를 들어, Cd, Zn, In, Pb, Mo, W, Sb, Ti, Ag, Mn, Sn, Zr, Sr, Ga, Si, Cr 등의 금속 산화물로 형성될 수 있다. 상기 반도체층(117)은 감광성 염료를 흡착함으로써 광전변환효율을 높일 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체층(117)은 5nm~1000nm 입경의 반도체 입자를 분산시킨 페이스트를 전극(115)이 형성된 기판(110) 위에 도포한 후, 소정의 열 또는 압력을 적용하는 가열 처리 또는 가압 처리를 거쳐 형성될 수 있다.
상기 반도체층(117)에 흡착된 감광성 염료는 공통 기판(110)을 투과하여 입사된 빛을 흡수하고 감광성 염료의 전자는 기저 상태로부터 여기 상태로 여기된다. 여기된 전자는 감광성 염료와 반도체층(117) 간의 전기적인 결합을 이용하여 반도체층(117)의 전도대로 전이된 후, 반도체층(117)을 통과하여 광 전극(115)에 도달하고, 광 전극(115)을 통하여 외부로 인출됨으로써 외부회로(미도시)를 구동하는 구동전류를 형성하게 된다.
예를 들어, 상기 반도체층(117)에 흡착되는 감광성 염료는, 가시광 대역에서 흡수를 보이고, 광 여기 상태로부터 신속하게 반도체층(117)으로의 전자 이동을 야기하는 분자로 구성된다. 상기 감광성 염료는 액상, 반 고체의 겔 형상, 고체 형상 중의 어느 한 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체층(117)에 흡착되는 감광성 염료로는 루테늄(ruthenium) 계의 감광성 염료가 사용될 수 있다. 소정의 감광성 염료를 포함하는 용액 속에 반도체층(117)이 형성된 기판(110)을 침지시키는 방식으로, 감광성 염료를 흡착한 반도체층(117)을 얻을 수 있다.
상기 전해질(150)은 한 쌍의 산화제와 환원제를 포함하는 레독스(Redox) 전해질을 포함할 수 있고, 고체형 전해질, 겔상 전해질, 액체형 전해질 등이 모두 적용될 수 있다. 상기 공통 기판(110)상에는 각 광전 셀(S)에 대응하여 상대 전극(125)이 형성되어 있다. 상기 상대 전극(125)은 각 광전 셀(S) 마다 개별화되며, 소정의 개방공간(OP)을 사이에 두고 이웃한 상대 전극(125)들로부터 이격된다.
상기 상대 전극(125)은 촉매층(121)과, 상기 촉매층(121) 상에 형성되는 금속층(124)을 포함할 수 있다. 상기 촉매층(121)은 전자를 제공하는 환원 촉매기능을 갖는 소재로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 동(Cu), 알루미늄(Al) 등의 금속이나 산화주석 등의 금속 산화물, 또는 그라파이트(graphite) 등의 카본계 물질로 구성될 수 있다.
상기 금속층(124)은 촉매층(121)의 외면에 형성되어 촉매층(121)을 보호하고, 상대 전극(125)의 전기 저항을 낮추기 위해 도입될 수 있다. 다만, 본 발명에서 상기 금속층(124)이 필수적인 구성은 아니며 생략될 수도 있다. 예를 들어, 상기 금속층(124)은 티타늄(Ti) 등의 금속소재로 형성될 수 있다. 상기 금속층(124)은 촉매층(121)의 외부를 향한 면에 형성될 수 있다. 상기 금속층(124)은 이웃한 광전 셀(S)들 간에 접속을 위한 단자영역을 제공할 수 있으며, 예를 들어, 광 전극(115)에 접속된 일단으로부터 연장된 접속 부재(130)의 타단은 이웃한 광전 셀(S)의 금속층(124)에 접속될 수 있으며, 금속층(124)의 노출된 외면에 접속될 수 있다.
상기 접속 부재(130)는 유연성의 도전재로 이루어질 수 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 이웃한 광전 셀(S)들 사이의 개방공간(OP)에 현수된 상태로 유연하게 휘어지며 연장될 수 있다. 접속 부재(130)를 유연성 도전재로 구성함으로써 접속 부재(130)의 취급성이 향상될 수 있으며, 접속 부재(130)의 연결 작업이 용이하게 이루어질 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 이웃한 광전 셀(S)들 사이에서 최단 거리의 접속 패스를 제공하기 위해, 상기 접속 부재(130)를 직선상으로 연결할 수 있으며, 광전 셀(S)들 사이에서 접속 패스를 제공할 수 있는 한, 여하의 소재와 여하의 구조로 형성될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 상기 접속 부재(130)는 이웃한 광전 셀(S)들 사이에서 접속대상이 되는 상대 전극(125)과 광 전극(115) 사이에 연장되는 경성의 도전재로 형성될 수도 있음은 물론이다.
예를 들어, 상기 접속 부재(130)는 광 전극(115) 상에 접속된 일단과, 이웃한 광전 셀(S)의 상대 전극(125) 상에 접속된 타단을 가질 수 있다. 상기 접속 부재(130)와 광 전극(115), 또는 접속 부재(130)와 상대 전극(125)과의 접속에 관하여, 상기 접속 부재(130)는 해당 부분에 가열 융착될 수 있으며 또는 전도성 접착제(미도시) 등을 개재하여 해당 부분에 부착될 수도 있다. 예를 들어, 상기 접속 부재(130)는 광 전극(115) 또는 상대 전극(125) 상에 레이저 융착될 수 있다. 다른 실시형태에서 이방성 도전 필름(미도시)을 개재하고 접속 부재(130)의 단부를 광 전극(115)이나 상대 전극(125) 상에 압착시킴으로써 전기 접속이 이루어질 수 있다.
도시된 실시형태에서는 이웃한 광전 셀(S)들의 광 전극(115)과 상대 전극(125)이 상호 결속됨으로써 공통 기판(110)상에 배열된 모든 광전 셀(S)들이 직렬로 접속되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들어, 이웃한 광전 셀(S)들의 광 전극(115)들끼리, 그리고 상대 전극(125)들끼리 결속됨으로써 모든 광전 셀(S)들이 병렬로 접속될 수도 있다. 또한, 공통 기판(110)상의 일부 광전 셀(S)들은 직렬로 접속되되, 나머지 광전 셀(S)들은 병렬로 접속되는 등 직렬 접속과 병렬 접속이 혼용될 수도 있다.
도 4를 참조하면, 광 전극(115)이 실링 부재(119)에 의해 포위된 광전 셀(S) 내부를 전부 커버하도록 형성된다. 즉, 실링 부재(119)는 투명 도전막(111) 및 그리드 패턴(114) 상에 형성된다. 이때, 광전 셀(S)의 내부는, 실링 부재(119)와, 광 전극(115)과, 상대 전극(125)에 의해 둘러싸일 수 있다. 즉, 상기 실링 부재(119)는, 광 전극(115) 및 상대 전극(125)과 함께 광전 셀(S)의 내부를 둘러쌀 수 있다.
도 6은 도 4에 도시된 광전변환모듈의 변형된 실시형태를 보여주는 도면이다. 도면을 참조하면, 광 전극(115`)은 투명 도전막(111`) 및 투명 도전막(111`) 상에 형성된 그리드 패턴(114`)을 포함할 수 있다. 상기 그리드 패턴(114`)은 실링 부재(119`)에 의해 포위된 광전변환영역 내에 형성되는 다수의 휭거 전극(114a`)들과, 상기 휭거 전극(114a`)들의 외측에서 휭거 전극(114a`)들을 가로지르는 방향으로 연장되며 휭거 전극(114a`)들을 하나의 공통배선으로 취합하는 집전 전극(114c`)을 포함한다.
도 4의 실시형태와 구별되는 것은, 상기 투명 도전막(111`) 및 그리드 패턴(114`)이 실링 부재(119`)에 의해 포위된 광전 셀(S) 내부를 전부 커버하지 않는다는 점이다. 즉, 실링 부재(119`)의 일부는 그리드 패턴(114`) 상에 형성되고, 실링 부재(119`)의 다른 일부는 공통 기판(110) 상에 형성된다. 이때, 광전 셀(S)의 내부는, 실링 부재(119`)와, 광 전극(115`)과, 공통 기판(110) 및 상대 전극(125`)에 의해 둘러싸일 수 있다. 즉, 상기 실링 부재(119`)는, 광 전극(115), 공통 기판(110) 및 상대 전극(125)과 함께 광전 셀(S)의 내부를 둘러쌀 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 관한 광전변환모듈을 도시한 분해 사시도이다. 도 8은 도 7의 VIII-VIII 선을 따라 취한 단면도이다.
도면을 참조하면, 상기 광전변환모듈은, 일군의 광전 셀(S)들을 구조적으로 지지해주는 지지체로서의 공통 기판(110)을 포함하고, 상기 공통 기판(110)상에서 서로 개별적으로 형성된 광 전극(115), 반도체층(117), 전해질(150), 그리고 상대 전극(125)을 포함한다. 예를 들어, 상기 광전변환모듈은 그 일 측, 예를 들어, 수광면 측으로는 공통 기판(110)을 갖고, 타 측, 예를 들어, 이면 측으로는 개별화된 상대 전극(225)을 갖는다.
상기 일군의 광전 셀(S)들은 접속 부재(230)를 통하여 서로 전기적으로 결속되는데, 예를 들어, 이웃한 광전 셀(S)들의 광 전극(115)과 상대 전극(225)을 서로 전기적으로 이어주는 접속 부재(230)를 이용하여 직렬 접속 또는 병렬 접속됨으로써 하나의 모듈화된 구성을 갖는다. 이때, 상기 접속 부재(230)는 상대 전극(225)으로부터 일체적으로 연장될 수 있으며, 상대 전극(225)으로부터 연장되어 이웃한 광전 셀(S)의 광 전극(115)에 접속될 수 있다.
상기 접속 부재(230)와 상대 전극(225)은 동일한 원소재 플레이트로부터 형성될 수 있다. 상기 원소재 플레이트는 상대 전극(225)과 동일하게 촉매층(221)과 금속층(224)의 적층체로 마련될 수 있다. 상기 원소재 플레이트에 적정 가공을 적용하여 일부를 접속 부재(230)화하고 나머지 부분은 상대 전극(225)으로 기능하게 한다. 접속 부재(230)와 상대 전극(225)이 하나의 공정을 통하여 일괄적으로 함께 형성되므로, 개별적으로 형성되는 경우와 비교할 때, 공정 수가 획기적으로 절감된다.
예를 들어, 상기 상대 전극(225)은 각 광전 셀(S) 마다 개별화되는데, 이러한 상대 전극(225)들을 하나의 원소재 플레이트로부터 형성하고, 원소재 플레이트의 절단을 통하여 각 상대 전극(225)들을 개별화시키는 동시에, 원소재 플레이트의 절단 분리된 부분을 이용하여 접속 부재(230)를 구성하는 것이다.
상기 상대 전극(225)은 촉매층(221)과, 상기 촉매층(221) 상에 형성되는 금속층(224)을 포함할 수 있다. 상기 촉매층(221)은 전자를 제공하는 환원 촉매기능을 갖는 소재로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 동(Cu), 알루미늄(Al) 등의 금속이나 산화주석 등의 금속 산화물, 또는 그라파이트(graphite) 등의 카본계 물질로 구성될 수 있다.
상기 금속층(224)은 촉매층(221)의 외면에 형성되어 촉매층(221)을 보호하고, 상대 전극(225)의 전기 저항을 낮추기 위해 도입될 수 있다. 다만, 본 발명에서 상기 금속층(224)이 필수적인 구성은 아니며 생략될 수도 있다. 예를 들어, 상기 금속층(224)은 티타늄(Ti) 등의 금속소재로 형성될 수 있다.
도 9를 참조하여 광전변환모듈의 형성에 대해 개략적으로 설명하면 이하와 같다. 먼저, 공통 기판(110)상에 각 기능층들을 순차적으로 형성하는데, 예를 들어, 광 전극(115) 및 반도체층(117)을 각 광전 셀(S) 마다 개별적으로 형성하고, 실링 부재(119) 상으로 원소재 플레이트(200)를 배치한다. 상기 원소재 플레이트(200)는 각 광전 셀(S) 마다 개별화되지 않고 일체적으로 형성된 단일 시트재로서, 각 광전 셀(S)들을 덮으며 광전 셀(S)들을 가로질러 연장된다.
상기 원소재 플레이트(200)는 각 광전 셀(S) 영역에 대응되는 전극부(225a`,225b`)와, 광전 셀(S)들 사이에 대응되는 접속부(230`)를 포함한다. 상기 접속부(230`)는 양편으로 전극부(225a`,225b`)와 이웃하게 되는데, 설명의 편의상 접속부(230`)와의 연결을 유지하는 편의 전극부를 제1 전극부(225a`)로, 접속부(230`)와의 연결이 끊어지는 편의 전극부를 제2 전극부(225b`)로 칭하기로 한다. 따라서, 일 접속부(230`)는 서로 반대편으로 제1, 제2 전극부(225a`,225b`)를 갖게 되며, 제1 전극부(225a`)는 다른 접속부(230`)와의 관계에서는 제2 전극부(225b`)가 되므로, 제1, 제2 전극부(225a`,225b`)의 개념은 상대적이다. 이하에서는 선택된 어느 일 접속부(230`)를 일례로 들어 설명하기로 한다.
광전 셀(S)들을 가로질러 배치되는 원소재 플레이트(200)로부터 다수의 상대 전극(225)들이 형성되는데, 원소재 플레이트(200)를 절단하여 상대 전극(225)들을 개별화시킬 수 있다. 예를 들어, 원소재 플레이트(200)에 대해 펀칭공정을 수행하여 각 상대 전극(225)들을 분리해낸다. 도 8에서 볼 수 있듯이, 원소재 플레이트(200)에 대해 펀칭가공을 적용하면, 접속부(230`)는 펀칭압력(P)에 의해 하방으로 절곡된다. 이때, 상기 접속부(230`)는 일편의 제1 전극부(225a`)와는 물리적인 연결상태를 유지하되, 타편의 제2 전극부(225b`)와는 물리적인 연결이 끊어지며 서로 분리된다. 이때, 일편의 제1 전극부(225a`)와 타편의 제2 전극부(225b`)는 서로 다른 광전 셀(S)에 속하는 상대 전극(225)들을 구성하게 된다. 그리고 상기 접속부(230`)는 이웃한 광전 셀(S)들을 서로 전기적으로 연결시켜주는 접속 부재(230)를 구성하게 된다.
보다 구체적으로, 상기 접속부(230`)는 일편의 제1 전극부(225a`)로부터 이웃한 광전 셀(S)의 광 전극(115) 상으로 연장되며, 궁극적으로 제1 전극부(225a`)로부터 형성된 상대 전극(225)과, 이웃한 광전 셀(S)의 광 전극(115)을 서로 전기적으로 이어주는 접속 부재(230)를 구성하게 된다. 예를 들어, 상기 접속부(230`)는 일편의 제1 전극부(225a`)로부터 절곡되어 사선방향을 따라 하방으로 연장될 수 있고, 상기 제1 전극부(225a`)와 연결된 일단과, 이웃한 광전 셀(S)의 광 전극(115) 상에 접속된 타단을 가질 수 있다.
상기 원소재 플레이트(200)의 펀칭 가공시에는 접속부(230)에 대해 국부적으로 펀칭압력(P)을 가할 수 있다. 예를 들어, 상기 접속부(230`)에 대한 가격시, 상기 접속부(230`)는 상대적으로 결합강도가 높은 일편의 제1 전극부(225a`)와의 경계를 중심으로 휘어지며, 상대적으로 결합강도가 낮은 타편의 제2 전극부(225b`)와의 경계가 끊어지고, 타편의 제2 전극부(225b`)로부터 분리될 수 있다. 상기 원소재 플레이트(200)에는 펀칭압력(P)에 의해 용이하게 파단이 일어날 수 있도록 파단선(미도시)이 형성되어 있을 수 있다. 상기 파단선(미도시)은 접속부(230`)와 제2 전극부(225b`) 사이에 형성될 수 있으며, 접속부(230`)와 제2 전극부(225b`) 사이를 구획할 수 있다.
원소재 플레이트(200)의 펀칭 가공시, 제2 전극부(225b`)로부터 분리된 접속부(230`)는 하방으로 휘어지면서 이웃한 광 전극(115) 상에 근접하게 위치된다. 예를 들어, 상기 접속부(230`)의 단부는 광 전극(115) 상에 안착되거나 또는 적어도 이와 근접한 위치에 놓여지게 된다. 접속부(230`)와 광 전극(115) 간의 결합에 관하여, 예를 들어, 접속부(230`)와 광 전극(115) 사이에 전도성 접착제(미도시), 예를 들어, 이방성 도전 필름 등을 개재하고 접속부(230`)를 광 전극(115) 상에 압착시킴으로써 양자가 서로에 대해 전기적으로 결속될 수 있다. 대안으로, 상기 접속부(230`)와 광 전극(115)은 외부 에너지원에 의한 가열 융착에 의해 서로 전기적으로 결속될 수 있다.
상기와 같이, 원소재 플레이트(200)의 펀칭이라는 하나의 공정을 통하여 각 광전 셀(S)의 상대 전극(225)들을 개별화시키는 것과 동시에, 이웃한 광전 셀(S)들 간의 접속 부재(230)를 함께 형성할 수 있다. 적어도 둘 이상 개별적으로 진행될 단계들이 하나의 공정으로 완료될 수 있으며, 펀칭과 같은 단순화된 공정을 통하여 일괄적으로 수행될 수 있다. 또한, 상대 전극(225)과 접속 부재(230)가 하나의 원소재 플레이트(200)를 이용하여 형성되므로 재료비가 절감될 수 있으며, 상대 전극(225)과 접속 부재(230)가 일체적으로 형성됨으로써 이들 간의 접속상태가 한층 견고해질 수 있다.
이하, 도 10a 내지 도 10c를 참조하여, 본 발명의 다른 측면에 따른 광전변환모듈의 제조방법에 대해 설명하기로 한다. 도 10a 내지 도 10c는 광전변환모듈의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단계별 도면들이다.
먼저, 도 10a에서 볼 수 있듯이, 공통 기판(110)을 준비한다. 상기 공통 기판(110)은 모듈화되는 일군의 광전 셀(S)들을 지지해주는 지지체로서, 유리 소재의 글라스 기판이나 수지 필름으로 마련될 수 있다.
다음에, 상기 공통 기판(110)상에 광전변환작용에 참여하는 기능층들을 형성하는데, 공통 기판(110)상에 각 기능층들을 차례대로 형성한다. 이때, 상기 기능층은 빛을 수광하여 여기 전자들을 생성해내는 반도체층(117)과, 생성된 전자들을 수취하여 외부로 인출하기 위한 전극 구조들을 포함한다. 예를 들어, 상기 공통 기판(110)은 일군의 광전 셀(S)들에 대해 공통으로 형성되는 단일 기체로 형성될 수 있으며, 상기 기능층들은 각 광전 셀(S)들에 대해 개별적으로 형성되어 각 광전 셀(S)의 광전변환작용은 서로에 대해 독립적으로 수행될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 공통 기판(110)상의 전체면적에 걸쳐서 투명 도전막(111)을 일괄적으로 형성하고, 레이저 스크라이빙(laser scribing)을 적용하여 각 광전 셀(S)에 대해 투명 도전막(111)을 개별화시킬 수 있다. 예를 들어, 투명 도전막(111)은 ITO, FTO, ATO 등의 TCO(Transparent Conducting Oxide)로 형성될 수 있다.
다음에, 개별화된 투명 도전막(111) 상에 그리드 패턴(114)을 형성할 수 있으며, 이로써 투명 도전막(111)과 함께 그리드 패턴(114)을 포함하는 광 전극(115)을 형성할 수 있다. 상기 그리드 패턴(114)은 전기 전도성이 우수한 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 등의 금속소재로 형성되어 투명 도전막(111)의 전도성을 보충할 수 있으나, 그리드 패턴(114)의 형성이 필수적인 것은 아니다.
다음에, 광 전극(115) 상에 감광성 염료를 흡착한 반도체층(117)을 형성한다. 예를 들어, 상기 반도체층(117)은 반도체 입자를 분산시킨 페이스트를 광 전극(115)이 형성된 공통 기판(110) 위에 도포한 후, 가열 처리 또는 가압 처리를 수행함으로써 형성될 수 있다. 그리고, 반도체층(117)이 형성된 공통 기판(110)을 감광성 염료를 포함하는 용액 속에 침지시킴으로써 감광성 염료를 반도체층(117)에 흡착시킬 수 있다.
다음에, 각 광전 셀(S)의 둘레를 따라 실링 부재(119)를 형성한다. 이때, 상기 실링 부재(119)는 유리 프릿 페이스트(glass frit paste)로 형성될 수 있으며, 후술하는 바와 같이, 상대 전극(225) 또는 상대 전극(225)을 형성할 원소재 플레이트(200)가 조립된 후, 레이저 등의 외부열원(미도시)을 적용하여 경화처리될 수 있다. 예를 들어, 상기 실링 부재(119)는 광 전극(115) 상에 형성될 수 있다. 다만, 후에 도 11을 참조하여 설명되는 바와 같이, 본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 실링 부재(119)의 일부는 광 전극(115) 상에 형성되고, 실링 부재(119)의 다른 일부는 공통 기판(110) 상에 형성될 수도 있다.
다음에, 광전변환모듈의 이면 측에 상대 전극(225)을 형성한다. 먼저, 적어도 둘 이상의 광전 셀(S)들을 커버할 수 있는 크기의 원소재 플레이트(200)를 마련한다.
상기 원소재 플레이트(200)는, 펀칭(punching)이나 스템핑(stamping) 가공 등을 통하여 개별화됨으로써 상대 전극(225)을 형성하고, 상대 전극(225)을 형성하지 않는 부분은 접속 부재(230)화된다. 보다 구체적으로, 상기 원소재 플레이트(200)는 각 광전 셀(S)에 대응되는 전극부(225a`,225b`)와, 광전 셀(S)들 사이에 대응되는 접속부(230`)를 포함하고, 후술하는 원소재 플레이트(200)의 개별화 공정을 통하여, 상기 전극부(225a`,225b`)는 각 광전 셀(S)의 상대 전극(225)을 형성하게 되고, 상기 접속부(230`)는 이웃한 광전 셀(S)들을 전기적으로 이어주는 접속 부재(230)를 형성하게 된다.
상기 전극부(225a`,225b`)는 각 광전 셀(S)에서, 실링 부재(119), 광 전극(115)과 함께 각 광전 셀(S)의 내부를 둘러싸는 상대 전극(225)을 형성하게 된다. 다만, 이후 도 11을 참조하여 설명되는 바와 같이, 본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 전극부(225a`,225b`)는, 실링 부재(119), 광 전극(115), 및 공통 기판(110)과 함께 각 광전 셀(S)의 내부를 둘러싸는 상대 전극(225)을 형성할 수도 있다.
예를 들어, 상기 원소재 플레이트(200)는 상대 전극(225)과 동일하게 촉매층(221`)과 금속층(224`)의 적층체로 마련될 수 있다. 상기 원소재 플레이트(200)는 광전변환모듈의 이면 측에 배치되는데, 예를 들어, 촉매층(221`)이 형성된 일면이 내측을 향하고, 금속층(224`)이 형성된 타면이 외측을 향하게 배치된다.
다음에, 실링 부재(119)에 대해 경화 공정을 적용하여, 실링 부재(119)가 공통 기판(110)과 원소재 플레이트(200) 사이에서 견고하게 고착되도록 한다. 예를 들어, 이러한 경화 공정은 실링 부재(119)에 레이저(미도시) 등의 외부 열원을 적용함으로써 수행될 수 있으며, 실링 부재(119) 내에는 레이저 흡수 물질이 포함될 수 있다.
다음에, 도 10b에 도시된 바와 같이, 원소재 플레이트(200)를 개별화하는 공정을 진행한다. 예를 들어, 원소재 플레이트(200)에 대해 펀칭 공정 또는 스템핑 공정을 수행하여 원소재 플레이트(200)로부터 각 상대 전극(225)들을 분리해낸다. 이때, 원소재 플레이트(225)의 전극부(225a`,225b`)는 상대 전극(225)을 형성하게 되고, 원소재 플레이트(200)의 접속부(230`)는 접속 부재(230)를 형성하게 된다. 원소재 플레이트(200)의 접속부(230`)는 펀칭압력(P)에 따라 하방으로 벤딩되면서 이웃한 광 전극(115) 상에 안착되거나 또는 이와 근접하게 위치되며, 이웃한 광전 셀(S)들을 전기적으로 이어주는 접속 부재(230)를 형성하게 된다. 상기 접속 부재(230)는 상대 전극(225)과 일체적으로 연결된 일단으로부터 이웃한 광전 셀(S)로 연장되며, 그 타단은 이웃한 광전 셀(S)의 광 전극(115) 상에 안착되거나 또는 광 전극(115)과 근접한 위치에 배치된다.
다음에, 도 10c에 도시된 바와 같이, 상기 접속 부재(230)를 이용하여 이웃한 광전 셀(S)들을 전기적으로 결속시킨다. 예를 들어, 상기 접속 부재(230)의 일단은 상대 전극(225)과 일체적으로 연결되어 있으므로 별도의 접속 작업이 요구되지 않는다. 본 공정에서는 접속 부재(230)의 타단을 광 전극(115) 상에 접속시키는데, 예를 들어, 레이저(미도시) 등의 외부 열원을 이용하여 접속 부재(230)의 타단을 광 전극(115) 상에 열 융착 또는 용접시키거나, 또는 이방성 도전 필름(미도시) 등의 전도성 접착제를 개재하고 접속 부재(230)를 광 전극(115) 상에 압착시킴으로써 양자를 전기적으로 결속시킬 수 있다. 도면번호 W는 접속 부재(230)의 타단이 광 전극(115) 상에 형성한 접점을 나타낸다.
다음에, 미도시된 전해질 주입구를 통하여 각 광전 셀(S) 내에 전해질(150)을 충진한다. 예를 들어, 상기 전해질 주입구(미도시)는 공통 기판(110)에 형성될 수 있으며, 전해질(150) 충진이 완료된 후, 전해질 주입구(미도시)의 밀봉이 수행된다.
도 11은 도 10c에 도시된 광전변환모듈의 변형된 실시형태를 보여주는 도면이다. 도면을 참조하면, 광 전극(115`)은 투명 도전막(111`) 및 투명 도전막(111`) 상에 형성된 그리드 패턴(114`)을 포함할 수 있다. 상기 그리드 패턴(114`)은 실링 부재(119`)에 의해 포위된 광전변환영역 내에 형성되는 다수의 휭거 전극(114a`)들과, 상기 휭거 전극(114a`)들의 외측에서 휭거 전극(114a`)들을 가로지르는 방향으로 연장되며 휭거 전극(114a`)들을 하나의 공통배선으로 취합하는 집전 전극(114c`)을 포함한다.
도 10c의 실시형태와 구별되는 점은, 상기 투명 도전막(111`) 및 그리드 패턴(114`)이 광전 셀(S)에 대응되는 공통 기판(110) 상을 완전히 커버하지 않는다는 점이다. 즉, 실링 부재(119`)의 일부는 그리드 패턴(114`) 상에 형성되고, 실링 부재(119`)의 다른 일부는 공통 기판(110) 상에 형성된다.
제안된 구조에서는 하나의 기판(공통 기판 110에 해당)을 이용하고 하나의 기판상에 순차적으로 수행되는 성막 공정을 통하여 차례로 층 구조를 적층함으로써 광전변환모듈을 완성한다. 따라서, 전극구조가 형성된 제1 기판과 제2 기판을 서로 마주하게 배치하고, 이들 사이에 실링 부재를 재개하여 제1, 제2 기판을 봉착시키는 봉착공정이 생략될 수 있다. 상기 봉착 공정에서는 제1, 제2 기판에 형성된 각 기능층 간의 수직 정렬이 요구될 뿐만 아니라, 가열 압착을 위한 특수한 장비가 요구되므로, 봉착 공정을 생략함으로써 공정 수의 감소는 물론이고 전체적인 제조 단가가 현저히 절감될 수 있다. 상기 봉착 공정은 제조단계상 최후의 공정이며 실질적으로 모듈화를 완성하는 공정이므로, 봉착 공정에서는 엄격한 공정 제어가 필수적이며, 봉착 공정에서의 오류는 선행하는 단계들에서 투입된 비용을 그대로 폐기시키는 결과를 초래하게 된다. 본 발명에서는 봉착 공정 자체를 생략시킴으로써 이 같은 문제점을 원천적으로 해소할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 의하면, 이웃한 광전 셀(S)들 사이에 개재된 개방공간(OP)을 통하여 광전 셀(S)들을 서로 전기적으로 연결한다. 즉, 개방공간(OP)을 통하여 연장되는 세장형 와이어 등의 접속 부재(130,230) 통하여 이웃한 광전 셀(S)들을 접속시킴으로써 광전 셀(S)들의 접속구조가 단순화되고, 접속 작업의 편이성이 향상될 수 있다. 이에, 종래 모듈화된 일군의 광전 셀들을 서로 전기적으로 결속시키기 위한 복잡한 접속 구조나 이를 형성하기 위한 복잡한 제조 단계들이 생략될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 의하면, 공통 기판(110)상에 형성된 다수의 광전 셀(S)들은 개방공간(OP)을 개재하여 서로 이웃하게 배열되어 있다. 상기 개방공간(OP)은 일군의 광전 셀(S)들이 배치된 공통 기판(110)상에서 각 광전 셀(S)을 밀봉하는 실링 부재(119)들 사이의 공간을 의미하며, 외부를 향하여 개방된 노출공간을 형성한다. 이웃한 광전 셀(S)들을 상호 접속하는 접속 부재(130,230)는 개방공간(OP)을 통하여 연장된다. 상기 개방공간(OP)은 유체적으로 외부와 연통되며, 예를 들어, 실링 부재(119)의 형성시 및/또는 실링 부재(119)의 봉착시 발생될 수 있는 불순가스는 상기 개방공간(OP)을 통하여 외부로 그대로 배기될 수 있고, 실링 부재(119) 등에 보이드를 유도할 수 있는 내부압력으로 축적되지 않는다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
110: 공통 기판 111: 투명 도전막
114: 그리드 패턴 114a: 휭거 전극
114c: 집전 전극 115: 광 전극
117: 반도체층 119: 실링 부재
121,221,221`: 촉매층 124,224,224`: 금속층
125,225: 상대 전극 130,230: 접속 부재
150: 전해질 200: 원소재 플레이트
225a`: 제1 전극부 225b`: 제2 전극부
230`: 접속부 S: 광전 셀
P: 펀칭압력 OP: 개방공간
114: 그리드 패턴 114a: 휭거 전극
114c: 집전 전극 115: 광 전극
117: 반도체층 119: 실링 부재
121,221,221`: 촉매층 124,224,224`: 금속층
125,225: 상대 전극 130,230: 접속 부재
150: 전해질 200: 원소재 플레이트
225a`: 제1 전극부 225b`: 제2 전극부
230`: 접속부 S: 광전 셀
P: 펀칭압력 OP: 개방공간
Claims (20)
- 공통 기판 상에서 서로에 대해 이격된 적어도 둘 이상의 광전 셀들을 포함하되,
상기 광전 셀은,
상기 공통 기판 상의 제1 전극;
적어도 일부가 상기 제1 전극 상에 형성된 실링 부재;
상기 실링 부재 상의 제2 전극; 및
상기 광전 셀의 제2 전극을, 이웃하는 광전 셀의 제1 전극 또는 제2 전극에 전기적으로 연결하는 접속 부재를 포함하고,
상기 실링 부재는, 상기 제1 전극 또는 공통 기판 중 적어도 하나와 상기 제2 전극과 함께, 상기 광전 셀의 내부를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈. - 제1항에 있어서,
불연속적인 기판을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈. - 제2항에 있어서,
상기 공통 기판은 연속적으로 형성된 단일 기판인 것을 특징으로 하는 광전변환모듈. - 제1항에 있어서,
상기 제2 전극은, 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈. - 제4항에 있어서,
상기 제2 전극은, 상기 촉매층 상의 금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈. - 제1항에 있어서,
상기 접속 부재와 제2 전극은 일체적으로 형성된 것을 특징으로 하는 광전변환모듈. - 제1항에 있어서,
상기 접속 부재는 유연한 도전 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈. - 제7항에 있어서,
상기 접속 부재는 유연하게 벤딩되고, 이웃하는 광전 셀들 사이의 개방공간에 현수되어 있는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극의 일부는 상기 광전 셀의 내부를 둘러싸는 실링 부재를 벗어나 연장되는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈. - 제9항에 있어서,
상기 실링 부재를 벗어나 연장된 제1 전극의 일부에 상기 접속 부재가 접속되는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈. - 제1항에 있어서,
상기 공통 기판은 투명 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극은,
상기 공통 기판 상의 투명 전도막; 및
상기 투명 전도막 상의 그리드 패턴;을 포함하고,
상기 그리드 패턴은 상기 광전 셀의 내부에서 서로에 대해 이격된 복수의 휭거 전극들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈. - 제12항에 있어서,
상기 그리드 패턴은 상기 휭거 전극들과 연결된 집전 전극을 더 포함하고, 상기 집전 전극의 적어도 일부는 상기 광전 셀의 내부 밖에 배치되는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈. - 제1항에 있어서,
상기 광전 셀의 내부에 배치되는 반도체층과 전해질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈. - 제14항에 있어서,
상기 반도체층에 흡착된 감광성 염료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈. - 적어도 둘 이상의 광전 셀을 포함하는 광전변환모듈의 제조방법으로서,
공통 기판 상에 상기 적어도 둘 이상의 광전 셀의 제1 전극을 형성하되, 서로에 대해 이격된 제1 전극을 형성하는 단계;
적어도 일부가 상기 제1 전극 상에 형성된 실링 부재를 형성하는 단계;
상기 적어도 둘 이상의 광전 셀을 커버하는 원소재 플레이트를 형성하는 단계; 및
상기 원소재 플레이트를 다수의 전극부로 개별화하는 단계;를 포함하고,
상기 개별화하는 단계에서, 상기 각 전극부는, 공통 기판 또는 제1 전극 중 적어도 하나와 실링 부재와 함께, 광전 셀의 내부를 둘러싸는 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈의 제조방법. - 제16항에 있어서,
상기 개별화하는 단계에서는, 펀칭 또는 스템핑에 의해 원소재 플레이트를 다수의 전극부들로 절단하는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈의 제조방법. - 제16항에 있어서,
상기 전극부는 상기 제2 전극과 함께 일체적으로 형성된 접속 부재를 더 포함하고,
상기 개별화하는 단계에서는, 상기 접속 부재가, 이웃하는 광전 셀의 제1 전극 상으로 벤딩되는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈의 제조방법. - 제18항에 있어서,
상기 접속 부재를 이웃하는 광전 셀의 제1 전극에 전기적으로 접속하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈의 제조방법. - 제18항에 있어서,
상기 접속 부재는, 용접 또는 전도성 접착제를 이용하여, 이웃하는 광전 셀의 제1 전극에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈의 제조방법.
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