KR20130057819A - 박막 배터리 일체형 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 투명한 제 1 기판과, 상기 제 1 기판 상에 형성된 투명한 제 1 전극과, 상기 제 1 기판과 마주하는 제 2 기판과, 상기 제 2 기판의 내측면에 구비된 제 2 전극과, 상기 제 1 전극과 접촉하며 반도체 산화물 또는 금속 산화물로 이루어지며 그 표면에 염료가 코팅된 다수의 나노입자로 구성된 액티브 패턴과, 상기 액티브 패턴을 둘러싸며 형성된 제 1 격벽과, 상기 제 1 격벽으로 둘러싸인 각 영역 내부를 채우며 상기 액티브 패턴과 상기 제 2 전극 사이에 개재된 전해질층을 포함하는 염료 감응 방식 태양전지와; 상기 제 2 기판 외측면에 형성된 제 3 전극과, 상기 제 3 전극 상에 형성된 고체 접착형 전해질층과, 상기 고체 접착형 전해질층 상부에 형성된 제 4 전극을 포함하는 박막 배터리를 포함하며, 상기 제 1 전극과 상기 제 4 전극, 그리고 상기 제 2 전극과 상기 제 3 전극은 서로 전기적으로 연결된 것이 특징인 박막 배터리 일체형 태양전지를 제공한다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 박막 배터리와 일체형 염료감응 방식 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근들어 시대가 급변하면서 개인용 휴대기기 사용이 기하급수적으로 늘어나고 있으며, 이들 개인용 휴대기기 이외에 무선 전자제품들의 개발 및 수요가 빠른 속도로 증가하고 있다.
한편, 이들 개인용 휴대용 기기들은 통상적으로 배터리를 사용하여 구동 전력을 공급하고 있다. 이때, 배터리가 공급할 수 있는 구동 전력은 한계가 있는 것으로서 소형화 및 경량화를 위해서는 에너지 밀도가 높은 이차 전지의 필요성이 크게 대두되고 있다.
한편, 이차 전지가 휴대용 기기에서 배터리로서의 동작을 하기 위해서는 충전을 필요로 하고 있으며, 이러한 2차 전지의 충전을 위해 개인용 휴대기가에는 충전기기 함께 제공되고 있다.
하지만, 이러한 2차 전지도 배터리로서의 정상적인 역할을 하기 위해서는 휴대용 기기를 소정시간 사용한 후에는 반드시 충전을 해 주어야 하며, 이 경우 충전기를 연결하여 전원을 공급받아 상기 2차 전지가 원활한 동작을 하도록 하고 있다.
한편, 이러한 2차 전지를 배터리로 구비하는 개인용 휴대기기는 일반적인 배터리를 구비한 개인용 휴대기기보다 그 사용시간이 증가하였지만 여전히 사용자는 더 오랜 시간 구동할 수 있는 개인용 휴대기기를 원하고 있다.
하지만, 2차 전지는 휴대 기기 특성상 대형화 될 수 없으므로 기술력이 지속적으로 향상되어 점진적으로 충전없이 사용될 수 있는 시간이 늘어나고 있지만, 기술적 한계가 있는 실정이다.
한편, 최근에는 태양광을 에너지원으로 하는 태양전지가 개발되어 공급되고 있다.
일반적으로 태양전지는 비정질 실리콘 등의 반도체 소자를 이용하여 광전 에너지 변환(photovoltaic energy conversion)을 하는 방식과 염료 감응 방식의 2가지 방식이 이용되고 있다.
이중 상대적인 에너지 변환 효율과 더불어 저렴한 제조 단가의 이점을 갖는 염료 감응 방식의 태양전지가 최근에 주목받고 있다.
이러한 태양전지는 최근에 휴대용 기기에 도입하려는 시도가 되고 있지만, 개인용 휴대기기의 특성상 그 크기가 한정되므로 이러한 휴대용 기기에 맞는 크기를 갖는 태양전지 자체로는 그 용량이 작아 충분히 개인용 휴대기기를 구동하기에는 어려움이 있으며, 2차 전지 대비 그 구동 시간이 작은 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 구동 시간을 2차 전지를 배터리로 사용하는 것 대비 현저히 향상시킬 수 있는 휴대 기기용 박막 배터리 일체형 태양전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 배터리 일체형 태양전지는, 투명한 제 1 기판과, 상기 제 1 기판 상에 형성된 투명한 제 1 전극과, 상기 제 1 기판과 마주하는 제 2 기판과, 상기 제 2 기판의 내측면에 구비된 제 2 전극과, 상기 제 1 전극과 접촉하며 반도체 산화물 또는 금속 산화물로 이루어지며 그 표면에 염료가 코팅된 다수의 나노입자로 구성된 액티브 패턴과, 상기 액티브 패턴을 둘러싸며 형성된 제 1 격벽과, 상기 제 1 격벽으로 둘러싸인 각 영역 내부를 채우며 상기 액티브 패턴과 상기 제 2 전극 사이에 개재된 전해질층을 포함하는 염료 감응 방식 태양전지와; 상기 제 2 기판 외측면에 형성된 제 3 전극과, 상기 제 3 전극 상에 형성된 고체 접착형 전해질층과, 상기 고체 접착형 전해질층 상부에 형성된 제 4 전극을 포함하는 박막 배터리를 포함하며, 상기 제 1 전극과 상기 제 4 전극, 그리고 상기 제 2 전극과 상기 제 3 전극은 서로 전기적으로 연결된 것이 특징이다.
이때, 상기 제 1 기판에는 상기 제 1 전극과 연결된 제 1 단자와, 상기 제 1 전극과 이격하며 제 2 단자가 구비된 것이 특징이며, 상기 제 2 전극과 상기 제 3 전극은 각각 상기 제 2 단자와 접촉함으로서 서로 전기적으로 연결되며, 상기 제 4 전극은 상기 제 1 전극과 접촉함으로써 상기 제 1 전극과 상기 제 4 전극은 서로 전기적으로 연결된 것이 특징이다.
이 경우, 상기 제 1 전극은 투명 도전성 물질인 FTO 또는 F:SnO2 으로 이루어지며, 상기 제 2 전극은 백금(Pt)으로 이루어지며, 상기 제 3 전극은 리튬, 알루미늄, 알루미늄 합금, 아연 중 어느 하나로 이루어지며, 상기 제 4 전극은 리튬코발트산화물(LiCoO2), 이산화망간, 구리 중 어느 하나로 이루어진 것이 특징이다.
그리고, 상기 제 3 전극과 제 4 전극 사이에는 고체 접착형 전해질층의 양끝단에 제 2 격벽이 구비된 것이 특징이다.
또한, 상기 반도체 산화물 또는 금속 산화물은 산화티타늄(TiO2)을 포함하는 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물 및 스트론튬티타늄(SrTi)산화물 중 어느 하나인 것이 특징이다.
또한, 상기 염료는 금속 착화합물, 무기 염료 및 유기 염료 중 어느 하나로 이루어진 것이 특징이다.
그리고, 상기 제 4 전극 상부와 상기 박막 배터리 및 상기 태양전지의 측면에는 인캡슐레이션막이 형성된 것이 특징이며, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판은 유연한 특성을 갖는 플라스틱 기판 또는 필름으로 이루어진 것이 특징이다.
본 발명의 실시예에 따른 박막 배터리 일체형 태양전지의 제조 방법은 투명한 제 1 기판 상에 투명한 제 1 전극을 형성하는 단계와; 상기 제 1 전극 위로 반도체 산화물 또는 금속 산화물로 이루어지며 그 표면에 염료가 코팅된 다수의 나노입자로 구성된 액티브 패턴을 형성하는 단계와; 상기 제 1 전극 위로 상기 각 액티브 패턴을 둘러싸는 접착특성을 갖는 제 1 격벽을 형성하는 단계와; 투명한 제 2 기판 상에 제 2 전극을 형성하는 단계와; 상기 제 1 기판과 제 2 기판을 상기 제 1 격벽이 상기 제 2 전극에 접착되도록 합착하는 단계와; 상기 제 2 기판 위로 상기 제 2 전극과 연결되도록 제 3 전극을 형성하는 단계와; 상기 제 3 전극 위로 고체 접착형 전해질층을 형성하는 단계와; 상기 고체 접착형 전해질층 위로 상기 제 1 전극과 연결되도록 제 4 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 기판 상에 형성된 모든 구성요소는 롤-투-롤(roll-to-roll)법에 의해 형성하는 것이 특징이다.
이때, 상기 제 1 기판에 상기 제 1 전극을 형성하는 단계는, 상기 제 1 기판 상에 상기 제 1 전극과 연결되는 제 1 단자와 상기 제 1 전극과 이격하는 제 2 단자를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제 2 전극 및 제 3 전극은 상기 제 2 단자와 연결되도록 형성하며, 상기 제 4 전극은 상기 제 1 전극과 연결되도록 형성하는 것이 특징이다.
그리고, 상기 제 2 전극을 형성한 후에는 상기 제 2 전극과 상기 제 2 단자와 동시에 접촉하는 제 1 연결패턴을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제 3 전극을 형성한 후에는 상기 제 3 전극과 상기 제 2 단자와 동시에 접촉하는 제 2 연결패턴을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제 4 전극을 형성한 후에는 상기 제 4 전극과 상기 제 1 단자와 동시에 접촉하는 제 3 연결패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것이 특징이다.
그리고, 상기 고체 접착형 전해질층을 형성한 후에는 상기 제 3 전극 위로 상기 고제 접착형 전해질층 외측으로 제 2 격벽을 형성하는 단계를 진행하는 것이 특징이다.
또한, 상기 제 4 전극을 형성한 후에는 상기 제 4 전극 상부를 포함하여 상기 박막 배터리 일체형 태양전지의 측면을 덮도록 인캡슐레이션막을 형성하는 단계를 진행하는 것이 특징이다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 박막 배터리 일체형 염료 감응 방식 태양전지는 상기 박막 배터리를 통해 개인용 휴대기기를 구동하는 동안 상기 염료 감응 방식 태양전지를 통해 충전이 이루어짐으로써 종래의 일반적인 배터리를 구비한 휴대용 전자기기 대비 충전시간을 줄일 수 있으며, 나아가 전기 공급에 의한 1회 충전 후 전기적 연결없이 개인용 휴대 전자기기를 더 오랜 시간 사용할 수 있는 장점을 갖는다.
또한, 모바일 기기, RFID, 블루투스(bluetooth) 등의 무선기반 장치에 완전히 독립 전원공급이 가능한 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 배터리 일체화 태양전지의 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예의 변형에에 따른 박막 배터리 일체화 태양전지의 단면도.
도 3a 내지 도 3k는 본 발명의 실시예의 변형예에 따른 박막 배터리 일체화 태양전지의 제조 단계별 공정 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예의 변형에에 따른 박막 배터리 일체화 태양전지의 단면도.
도 3a 내지 도 3k는 본 발명의 실시예의 변형예에 따른 박막 배터리 일체화 태양전지의 제조 단계별 공정 단면도.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명은 태양전지 더욱 정확히는 염료 감응 방식 태양전지를 이용하여 휴대용 기기의 배터리로 이용되는 박막 배터리와 일체화시켜 상기 박막 배터리의 충전원이 되도록 함으로써 휴대용 기기를 구동하는 동안 배터리 충전이 가능한 것을 특징으로 한 박막 배터리 일체형 태양전지를 제공하는 것이 특징이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 배터리 일체화 태양전지의 단면도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 박막 배터리 일체화 태양전지(100)는 빛을 받아 전기 에너지로 바꾸는 역할을 하는 태양전지(A1)와 상기 태양전지(A1)로부터 생성된 전기 에너지를 저장하며 동시에 휴대용 기기를 구동시키는 박막 배터리(A2)가 적층된 형태로 구성되고 있는 것이 특징이다.
이때, 상기 태양전지(A1)는 염료 감응 방식 태양전지(A1)인 것이 특징이다. 상기 태양전지(A1)와 전기적으로 연결된 박막 배터리(A2)는 박막의 제 3 전극(135)과 제 4 전극(145) 사이에 박막의 고체 접착형 전해질층(140)이 구비된 것이 특징이다.
이때, 상기 박막 배터리는 예를들면 박막 증착 기술을 사용하여 리튬코발트산화물(LiCoO2)으로 이루어진 제 1 전극(105)과 인산리튬(LiPON)계 고체 전해질층과 리튬 재질로 이루어진 제 2 전극(123)의 세 개의 층을 각각 마이크로미터(μm) 레벨로 아주 얇은 고상의 적층막으로 구현한 배터리가 될 수도 있다.
조금 더 상세히 본 발명의 실시예에 따른 박막 배터리 일체화 태양전지의 단면 구성에 대해 설명한다.
우선, 투명한 절연재질의 제 1 기판(102) 예를들면 유연한 특성을 갖는 플라스틱 기판 또는 필름 상에 제 1 전극(105)과 이와 연결된 제 1 단자(107)가 구비되고 있으며, 상기 제 1 전극(105)과 이격하여 제 2 단자(110)가 구비되고 있다. 이때, 상기 제 1 전극(105)은 양극(anode electrode)의 역할을 형성되고 있는 것이 특징이다.
또한, 상기 제 1 전극(105) 상부에는 에너지 변환이 이루어지는 각 셀 별로 그 경계에 접착재질로 이루어진 제 1 격벽(120)이 구비되고 있으며, 상기 제 1 격벽(120)으로 둘러싸인 각 셀 내부에는 대응하여 액체 상태 또는 겔상태의 전해질로 채워진 전해질층(117)이 구비되고 있으며, 상기 전해질층(117) 내부로 상기 제 1 전극(105) 상부에는 표면에 염료 분자(111)가 화학적으로 흡착된 반도체 산화물로 이루어진 나노입자(109)로 구성된 다수의 액티브 패턴(113)이 구비되고 있다.
이때, 상기 전해질층(117)은 광전변환을 원활하게 하기 위해 산화-환원 반응을 일으켜 상기 염료분자(111)에 지속적으로 전자를 채워주는 역할을 하는 것이며, 상기 액티브 패턴(113)은 실질적으로 빛 에너지를 전류로 바꾸는 역할을 하는 구성요소가 되고 있다.
이때, 상기 제 1 전극(105)은 태양광이 잘 투과할 수 있도록 높은 투광성을 가지며 상기 액티브 패턴(113)으로부터 생성된 전자가 잘 이동할 수 있도록 면저항이 낮은 특성을 갖는 투명 도전성 물질 예를들면 FTO 또는 F:SnO2 로 이루어지고 있는 것이 특징이다.
그리고, 상기 접착특성을 갖는 제 1 격벽(120) 상부에는 상기 전해질층(117)과 접촉하며 제 2 전극(123)이 형성되고 있다. 이때, 상기 제 2 전극(123)은 투명한 절연특성을 갖는 제 2 기판(130)의 내측면에 구비되고 있는 것이 특징이다.
이러한 제 2 전극(123)은 전해질을 환원할 수 있는 촉매제 역할과 전지로써의 역할을 수행할 수 있는 에너지 전위를 가져야 하는 조건을 만족하도록 귀금속인 백금(Pt)으로 이루어지고 있는 것이 특징이며, 상기 제 2 기판(130)은 제 1 기판(102)과 동일하게 유연한 특성을 갖는 플라스틱 기판 또는 필름으로 이루어지는 것이 특징이다. 이때, 상기 제 2 기판(130)은 상기 접착특성을 갖는 제 1 격벽(120)과 더불어 상기 태양전지(A1)를 인캡슐레이션 하는 역할을 한다.
한편, 도면에 있어서는 상기 제 2 전극(123)은 상기 제 2 기판(130)의 내측면에 형성되어 제 1 기판(102) 상으로 연장되어 상기 제 2 전극(123)의 끝단이 그 자체로서 상기 제 2 단자(110)를 이루는 형태로 형성된 것을 보이고 있지만, 도 2(본 발명의 실시예의 변형예에 따른 박막 배터리 일체화 태양전지의 단면도)를 참조하면, 상기 제 2 전극(123)과 상기 제 2 단자(110)는 동일한 물질로 연결 형성되지 않고 도전성 특성을 갖는 물질로 이루어진 제 1 연결패턴(125)에 의해 연결된 형태를 이룰 수도 있다.
이하, 도 1과 도2를 참조하여 설명한다. 설명의 편의를 위해 본 발명의 실시예의 변형예의 경우 실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였다.
한편, 상기 액티브 패턴(113)을 구성하는 다수의 상기 나노입자(109)는 염료분자(111)를 흡착할 수 있으며, 상기 염료분자(111)로부터 나온 전자가 이동하는 통로의 역할을 할 수 있는 반도체 산화물 또는 금속산화물로서 산화티타늄(TiO2)을 포함하는 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물 및 스트론튬티타늄(SrTi)산화물 중 어느 하나 또는 둘 이상의 물질로 이루어지고 있는 것이 특징이다.
그리고, 전술한 물질로 이루어진 상기 각 나노입자(109)는 그 표면에 단일층 형태로 염료분자(111)가 코팅된 구성을 갖는 것이 특징이다.
이때, 상기 염료분자(111)는 색을 물들이는 물질로 빛을 흡수하여 전자를 만들어 내는 역할을 하는 것으로, 가시광선 파장 영역에서부터 근적외선 파장 영역까지 폭 넓은 광 흡수성을 가진 루테늄(Ru)을 포함하는 금속 착화합물, 무기 염료 및 유기 염료로 이루어지고 있고 있는 것이 특징이다.
한편, 각 셀에 대응하여 상기 제 1 기판(102) 상에 순차 적층된 상기 제 1 전극(105)과 액티브 패턴(113)과 전해질층(117) 및 제 2 전극(123)은 염료 감응 방식 태양전지(A1)를 이룬다.
이러한 구성을 갖는 상기 염료 감응 방식 태양전지(A1) 위로 상기 제 2 기판(130)을 사이에 두고 상기 제 2 기판(130) 상부에는 박막 배터리(A2)가 구성되고 있다.
즉, 상기 제 2 전극(123) 상부에는 제 3 전극(135)이 구비되고 있으며, 이때, 상기 제 3 전극(135)은 상기 태양전지(A1)의 제 2 전극(123)과 연결된 상기 제 2 단자(110)와 전기적으로 연결되고 있는 것이 특징이다.
도면에 있어서는 상기 제 3 전극(135)이 상기 제 1 기판(102)까지 연장하여 상기 제 2 단자(110)와 직접 접촉하고 있는 형태를 일례로 도시하였지만, 상기 박막 배터리(A2)의 일 전극인 상기 제 3 전극(135)은 상기 태양전지(A1)의 제 2 전극(123)과 전기적으로 연결되면 되므로 도전성이 우수한 금속물질로 이루어진 제 2 연결패턴(132)을 통해 상기 제 2 단자(110)와 제 3 전극(135)은 도통되는 구성을 가질 수도 있다.
다음, 상기 제 3 전극(135) 상부에는 고체 타입의 접착형 전해질층(140)이 구비되고 있다.
그리고, 접착형 전해질층(140) 상부에는 제 4 전극(145)이 구비되고 있으며, 따라서, 상기 제 2 기판(130) 상부에 순차 적층된 상기 제 3 전극(135)과 접착형 전해질층(140) 및 제 4 전극(145)은 박막 배터리(A2)를 이룬다.
이때, 상기 박막 배터리(A2)의 상기 제 4 전극(145)은 상기 태양전지(A1)의 제 1 전극(105)과 연결된 제 1 단자(107)와 전기적으로 연결되고 있는 것이 특징이다.
도면에서는 상기 제 4 전극(145)이 연장하여 상기 제 1 단자(107)와 직접 접촉하는 형태를 일례로 도시하고 있지만, 상기 제 1 단자(107)와 제 4 전극(145)은 도전성이 우수한 금속물질로 이루어진 제 3 연결패턴(147)을 통해 서로 도통될 수도 있다.
그리고, 상기 접착형 전해질층(140) 양 끝단 외측에는 상기 제 3 전극(135)과 제 4 전극(145)이 서로 접촉하여 쇼트되는 것을 방지하기 위해 상기 제 3 전극(135)과 제 4 전극(145) 사이에 제 2 격벽(142)이 구비되고 있는 것이 특징이다.
한편, 상기 제 3 전극(135)은 음극(cathode electrode)을 이루도록 리튬(Li), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금, 아연(Zn) 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 상기 제 4 전극(145)은 양극(anode electrode)을 이루도록 리튬코발트산화물(LiCoO2), 이산화망간(MnO2), 구리(Cu) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 제 3 전극(135)과 제 4 전극(145)인 각각 리튬(Li)과 리튬코발트산화물(LiCoO2)로 이루어지는 경우, 상기 접착형 전해질층(140)은 인산리튬(LiPON)계 고체 전해질이 될 수 있다.
다음, 이러한 구성을 갖는 박막 배터리(A2)의 상기 제 4 전극(145) 상부에는 인캡슐레이션막(150)이 구비되고 있으며, 이러한 인캡슐레이션막(150)은 상기 박막 배터리(A2)와 이의 하부에 위치하는 태양전지(A1)의 측면까지 완전히 덮는 형태를 이루는 것이 특징이다.
이후에는 이러한 구성을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 박막 배터리 일체화 태양전지(101)의 구동에 대해 간단히 설명한다.
태양광이 상기 염료 감응 방식 태양전지(A1)에 입사되면 투명한 제 1 기판(102)과 투명한 제 1 전극(105)을 투과한 광양자는 상기 액티브 패턴(113)에 도달하게 되고 상기 액티브 패턴(113)을 구성하는 다수의 나노입자(109)의 표면에 코팅된 염료분자(111)에 의해 흡수된다.
이때, 상기 염료분자(111)는 태양광 흡수에 의해 여기 상태(excited state)가 되면서 전자를 생성하고, 이렇게 생성된 전자는 상기 나노입자(109)를 이루는 산화물 반도체 물질의 전도대(conducting band)로 이송되어 투명한 상기 제 1 전극(105)을 통해 이와 연결된 박막 배터리(A2)의 제 4 전극(145)으로 흘러가서 전기에너지를 전달하게 된다.
한편, 태양광 흡수에 의해 산화된 염료분자(111)는 각 액티브 영역(AA) 내부에 개재된 전해질층(117)으로부터 전자를 공급 받아 원래 상태로 환원된다. 이때, 상기 전해질층(117)은 산화-환원 쌍으로써 상기 제 2 전극(123)으로부터 전자를 공급받아 염료분자(111)에 전달하는 역할을 한다.
이때, 상기 태양전지(A1)의 제 2 전극(123) 또한 상기 박막 배터리(A2)의 제 3 전극(135)과 연결되고 있으므로 상기 박막 배터리(A2)에 전기에너지를 전달하게 된다.
이러한 과정이 반복됨으로써 지속적으로 전술한 구조를 갖는 염료 감응 방식 태양전지(A1)에 태양광이 조사되는 경우 지속적으로 전기 에너지를 생성할 수 있는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 박막 배터리 일체화 태양전지(101)는 염료 감응 방식 태양전지(A1)가 태양광을 받아들여 광전 변환하여 전류를 생성시켜 지속적으로 상기 박막 배터리(A2)에 공급하게 되므로 상기 박막 배터리(A2)를 지속적으로 충전시키는 역할을 한다.
따라서, 태양광을 통해 충전이 가능하므로 이를 구비한 개인용 전자 휴대기기 중 무선기반 장치 예를들면 모바일 기기, RFID, 블루투스(bluetooth)에 완전히 독립 전원공급이 가능한 장점을 가지며, 이들 제품의 전원이 차단된 외부에서 사용시간을 2차 전지만을 배터리로 하는 제품 대비 현저히 향상시키는 장점을 갖는다.
이후에는 간단히 전술한 구조를 갖는 본 발명의 실시예의 변형예에 따른 박막 배터리 일체화 태양전지의 제조 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 변형예가 실시예 대비 더 많은 구성요소를 포함하고 있으므로 변형예에 따른 박막 배터리 일체화 태양전지의 제조 방법에 대해 설명하는 것이다.
도 3a 내지 도 3k는 본 발명의 실시예의 변형예에 따른 박막 배터리 일체화 태양전지의 제조 단계별 공정 단면도이다.
우선, 도 3a에 도시한 바와같이, 투명하고 유연한 특성을 갖는 제 1 기판(102) 예를들면 플라스틱 기판 또는 필름 상에 롤-투-롤(roll-to-roll) 방식으로 진행하여 태양광이 잘 투과할 수 있도록 높은 투광성을 갖는 투명 도전성 물질 예를들면 FTO 또는 F:SnO2를 선택적으로 코팅함으로써 양극(anode electrode)의 역할을 하는 제 1 전극(105)과 이와 연결된 제 1 단자(107)와 상기 제 1 전극(105)과 이와 이격하여 추후 형성될 제 2 전극(123)과 전기적으로 연결된 제 2 단자(110)를 형성한다.
이후, 도 3b에 도시한 바와같이, 상기 제 1 전극(105) 위에 산화물 반도체 물질 또는 금속산화물 예를들면 산화티타늄(TiO2)을 포함하는 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물 및 스트론튬티타늄(SrTi)산화물 중 어느 하나 또는 둘 이상의 물질로 이루어진 패이스트(paste)를 스크린 프린터(screen printer)로 마스크를 이용하여 코팅을 실시함으로써 각 액티브 영역(AA)별로 일정간격 이격하는 산화물 코팅패턴을 형성하고 이를 경화시킴으로써 다수의 산화물 반도체 패턴(미도시)을 형성한다.
이후, 다수의 산화물 반도체 패턴(미도시)이 형성된 상기 제 1 기판(102)을 염료분자(111)를 포함하는 무수 에탄올(anhydrous ethanol) 용액에 소정시간 노출되도록 하여 상기 산화물 반도체 패턴(미도시)이 염료분자(111)를 흡착시킴으로써 염료분자(111)가 코팅된 나노입자(109)로 구성된 다수의 액티브 패턴(113)을 완성한다.
다음, 도 3c에 도시한 바와같이, 상기 제 1 기판(102) 상의 상기 제 1 전극(105) 위로 다수의 상기 액티브 패턴(113) 사이에 접착력을 갖는 고분자 필름 일례로 surlyn 재질의 필름 부착하거나 또는 시린지를 이용하여 실란트(sealant)를 도포함으로써 각 셀의의 경계에 상기 각 액티브 패턴(113)을 둘러싸는 형태로 접착특성을 갖는 제 1 격벽(120)을 형성한다.
다음, 도 3d에 도시한 바와같이 상기 제 1 격벽(120)이 구비된 제 1 기판(102)의 상기 제 1 격벽으로 둘러싸인 각 셀 내부에 전해질 용액을 주입하여 전해질층(117)을 형성한다.
다음, 도 3e에 도시한 바와같이, 투명하고 유연한 특성을 갖는 제 2 기판(130) 예를들면 플라스틱 기판 또는 필름 상에 롤-투-롤(roll-to-roll) 방식으로 진행하여 제 2 전극(123)을 형성한다.
이때, 상기 제 2 전극(123)은 백금(Pt)을 이루어질 수 있으며, 이 경우 상기 제 2 기판(130) 상에 이 경우 hydrogen hexachloroplatinate(H2PtCl6) 2-propanol 용액을 선택적으로 코팅한 후 소정시간 소성함으로써 백금(Pt) 재질의 상기 제 2 전극(123)을 형성할 수 있다.
다음, 도 3f 및 도 3g에 도시한 바와같이, 상기 전해질층(117)이 구비된 상기 제 1 기판(102)과 상기 제 2 전극(123)이 형성된 상기 제 2 기판(130)을 상기 제 2 전극(123)과 상기 제 1 격벽(120)이 접착되도록 롤-투-롤 방식으로 합착하고 열처리함으로써 염료감응 방식 태양전지(A1)를 완성한다.
이후, 상기 제 2 기판(130)에 형성된 상기 제 2 전극(123)과 상기 제 1 기판(102)에 구비된 제 2 단자(110)를 도통시키도록 예를들어 은 패이스트를 선택적으로 도포하여 제 1 연결패턴(125)을 형성하는 공정이 진행될 수 있다.
다음, 도 3h에 도시한 바와같이, 상기 제 1 및 제 2 기판(102, 130)이 합착되어 패널을 이룬 상태에서 롤-투-롤 방식으로 진행하여 상기 제 2 기판(130)의 상면에 제 3 전극(135)을 형성한다.
이때, 상기 제 3 전극(135)을 형성한 후, 은 패이스트를 선택적으로 도포하는 하는 공정을 진행하여 상기 제 3 전극(135)과 상기 제 1 기판(102)에 구비된 제 1 단자(107)와 접촉하는 제 2 연결패턴(132)을 형성하는 공정이 진행될 수 있다.
다음, 도 3i에 도시한 바와같이, 상기 제 3 전극(135) 위로 롤-투-롤 방식으로 위로 고체 타입의 접착형 전해질층(140)과 제 2 격벽(142)을 형성한다.
다음, 도 3j에 도시한 바와같이, 상기 접착형 전해질층(140)과 상기 제 2 격벽(142) 위로 롤투롤 방식으로 제 4 전극(145)을 형성함으로써 박막 배터리(A2)를 완성한다.
이때, 상기 제 4 전극(145)을 형성한 후에는 상기 제 4 전극(145)과 상기 제 1 전극(105)과 연결된 상기 제 1 단자(107)를 도통시키는 제 3 연결패턴(147)을 형성하는 공정을 진행하여 상기 제 1 전극(105)과 제 4 전극(145)이 도통되도록 한다.
다음, 도 3k에 도시한 바와같이, 상기 제 4 전극(145) 위로 접착특성을 갖는 점착층(미도시)을 개재하여 필름을 부착하거나 또는 페이스씰(face seal)을 코팅하여 인캡슐레이션막(150)을 상기 제 4 전극(145) 상부를 포함하여 상기 박막 배터리(A2)와 상기 염료 감응 방식 태양전지(A1)의 측면을 덮도록 형성함으로써 본 발명의 실시예에 따른 박막 배터리 일체형 태양전지(101)를 완성한다.
본 발명은 전술한 실시예 및 변형예로 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
101 : 박막 배터리 일체형 태양전지 102 : 제 1 기판
105 : 제 1 전극 107 : 제 1 단자
110 : 제 2 단자 113 : 액티브 패턴
109 : 나노입자 111 : 염료분자
117 : 전해질층 120 : 제 1 격벽
123 : 제 2 전극 130 : 제 2 기판
135 : 제 3 전극 140 : 접착형 전해질층
145 : 제 4 전극 150 : 인캡슐레이션막
A1 : 염료 감응 방식 태양전지 A2 : 박막 배터리
105 : 제 1 전극 107 : 제 1 단자
110 : 제 2 단자 113 : 액티브 패턴
109 : 나노입자 111 : 염료분자
117 : 전해질층 120 : 제 1 격벽
123 : 제 2 전극 130 : 제 2 기판
135 : 제 3 전극 140 : 접착형 전해질층
145 : 제 4 전극 150 : 인캡슐레이션막
A1 : 염료 감응 방식 태양전지 A2 : 박막 배터리
Claims (14)
- 투명한 제 1 기판과, 상기 제 1 기판 상에 형성된 투명한 제 1 전극과, 상기 제 1 기판과 마주하는 제 2 기판과, 상기 제 2 기판의 내측면에 구비된 제 2 전극과, 상기 제 1 전극과 접촉하며 반도체 산화물 또는 금속 산화물로 이루어지며 그 표면에 염료가 코팅된 다수의 나노입자로 구성된 액티브 패턴과, 상기 액티브 패턴을 둘러싸며 형성된 제 1 격벽과, 상기 제 1 격벽으로 둘러싸인 각 영역 내부를 채우며 상기 액티브 패턴과 상기 제 2 전극 사이에 개재된 전해질층을 포함하는 염료 감응 방식 태양전지와;
상기 제 2 기판 외측면에 형성된 제 3 전극과, 상기 제 3 전극 상에 형성된 고체 접착형 전해질층과, 상기 고체 접착형 전해질층 상부에 형성된 제 4 전극을 포함하는 박막 배터리
를 포함하며, 상기 제 1 전극과 상기 제 4 전극, 그리고 상기 제 2 전극과 상기 제 3 전극은 서로 전기적으로 연결된 것이 특징인 박막 배터리 일체형 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 기판에는 상기 제 1 전극과 연결된 제 1 단자와, 상기 제 1 전극과 이격하며 제 2 단자가 구비된 것이 특징인 박막 배터리 일체형 태양전지.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 전극과 상기 제 3 전극은 각각 상기 제 2 단자와 접촉함으로서 서로 전기적으로 연결되며,
상기 제 4 전극은 상기 제 1 전극과 접촉함으로써 상기 제 1 전극과 상기 제 4 전극은 서로 전기적으로 연결된 것이 특징인 박막 배터리 일체형 태양전지.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 투명 도전성 물질인 FTO 또는 F:SnO2 으로 이루어지며,
상기 제 2 전극은 백금(Pt)으로 이루어지며,
상기 제 3 전극은 리튬, 알루미늄, 알루미늄 합금, 아연 중 어느 하나로 이루어지며,
상기 제 4 전극은 리튬코발트산화물(LiCoO2), 이산화망간, 구리 중 어느 하나로 이루어진 것이 특징인 박막 배터리 일체형 태양전지.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 3 전극과 제 4 전극 사이에는 고체 접착형 전해질층의 양끝단에 제 2 격벽이 구비된 것이 특징인 박막 배터리 일체형 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 반도체 산화물 또는 금속 산화물은 산화티타늄(TiO2)을 포함하는 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물 및 스트론튬티타늄(SrTi)산화물 중 어느 하나인 것이 특징인 박막 배터리 일체형 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 염료는 금속 착화합물, 무기 염료 및 유기 염료 중 어느 하나로 이루어진 것이 특징인 박막 배터리 일체형 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 4 전극 상부와 상기 박막 배터리 및 상기 태양전지의 측면에는 인캡슐레이션막이 형성된 것이 특징인 박막 배터리 일체형 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 기판 및 제 2 기판은 유연한 특성을 갖는 플라스틱 기판 또는 필름으로 이루어진 것이 특징인 박막 배터리 일체형 태양전지.
- 투명한 제 1 기판 상에 투명한 제 1 전극을 형성하는 단계와;
상기 제 1 전극 위로 반도체 산화물 또는 금속 산화물로 이루어지며 그 표면에 염료가 코팅된 다수의 나노입자로 구성된 액티브 패턴을 형성하는 단계와;
상기 제 1 전극 위로 상기 각 액티브 패턴을 둘러싸는 접착특성을 갖는 제 1 격벽을 형성하는 단계와;
투명한 제 2 기판 상에 제 2 전극을 형성하는 단계와;
상기 제 1 기판과 제 2 기판을 상기 제 1 격벽이 상기 제 2 전극에 접착되도록 합착하는 단계와;
상기 제 2 기판 위로 상기 제 2 전극과 연결되도록 제 3 전극을 형성하는 단계와;
상기 제 3 전극 위로 고체 접착형 전해질층을 형성하는 단계와;
상기 고체 접착형 전해질층 위로 상기 제 1 전극과 연결되도록 제 4 전극을 형성하는 단계
를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 기판 상에 형성된 모든 구성요소는 롤-투-롤(roll-to-roll)법에 의해 형성하는 것이 특징인 박막 배터리 일체형 태양전지의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 기판에 상기 제 1 전극을 형성하는 단계는,
상기 제 1 기판 상에 상기 제 1 전극과 연결되는 제 1 단자와 상기 제 1 전극과 이격하는 제 2 단자를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 제 2 전극 및 제 3 전극은 상기 제 2 단자와 연결되도록 형성하며, 상기 제 4 전극은 상기 제 1 전극과 연결되도록 형성하는 것이 특징인 박막 배터리 일체형 태양전지의 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 제 2 전극을 형성한 후에는 상기 제 2 전극과 상기 제 2 단자와 동시에 접촉하는 제 1 연결패턴을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 제 3 전극을 형성한 후에는 상기 제 3 전극과 상기 제 2 단자와 동시에 접촉하는 제 2 연결패턴을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 제 4 전극을 형성한 후에는 상기 제 4 전극과 상기 제 1 단자와 동시에 접촉하는 제 3 연결패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것이 특징인 박막 배터리 일체형 태양전지의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 고체 접착형 전해질층을 형성한 후에는 상기 제 3 전극 위로 상기 고제 접착형 전해질층 외측으로 제 2 격벽을 형성하는 단계를 진행하는 것이 특징인 박막 배터리 일체형 태양전지의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제 4 전극을 형성한 후에는 상기 제 4 전극 상부를 포함하여 상기 박막 배터리 일체형 태양전지의 측면을 덮도록 인캡슐레이션막을 형성하는 단계를 진행하는 것이 특징인 박막 배터리 일체형 태양전지의 제조 방법.
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