KR20130083711A - 염료감응 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그리드 전극이 형성되어 있는 광전극 단위셀과 상대전극 단위셀을 합착하여 형성되는 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 그리드 전극은 금속전극과 인접한 부분에서의 그리드 전극의 폭이 금속전극과 거리가 먼 부분에서의 그리드 전극의 폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
본 발명에 따르면, 종래 단위 면적당 동일한 개구율(유효면적)을 유지하면서도, 그리드 전극의 폭을 금속전극에서 먼 부분으로부터 상기 금속전극에 가까워질수록 점차적으로 넓게 형성하여 그리드 전극과 금속전극이 연결되는 부분의 저항을 감소시킴으로써 전체적으로 염료로부터 여기된 전자가 금속전극으로 전자 전달이 빠르게 이루어져 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

염료감응 태양전지{DYE-SENSITIZED SOLAR CELL}
본 발명은 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 염료감응 태양전지의 그리드 전극 구조 및 상기 그리드 전극 구조를 갖는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
염료감응 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)는 스위스 연방 기술원의 마이클 그라첼(Michael Gratzel)이 개발한 태양전지로써, 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조단가가 낮고, 단가 대비 에너지 변화효율이 높으며, 투명성과 구부림이 가능한 셀을 제조할 수 있어 다양한 응용분야에 이용될 수 있는 장점을 가진다.
염료감응 태양전지는 전자-홀 쌍을 생성하는 염료분자와 생성된 전자를 전달하는 반도체층이 포함된 광전극과, 염료분자로 전자를 보충해주는 전해액과, 전해액 용액의 산화환원반응의 촉매 역할을 하는 백금층이 코팅된 상대전극으로 이루어진다. 염료감응 태양전지에 빛이 입사되면 빛을 흡수한 염료가 여기상태(excited state)로 되어 전자를 반도체층의 전도대로 보내고, 전도된 전자는 전극을 따라 외부 회로로 흘러가서 전기에너지를 전달하고, 전기에너지를 전달한 만큼 낮은 에너지 상태가 되어 상대전극으로 이동한다. 염료는 반도체층에 전달한 전자 개수만큼 전해액 용액으로부터 전자를 공급받아 원래의 상태로 돌아가게 되는데, 이때 사용되는 전해액은 산화-환원 반응에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 한다. 염료감응 태양전지의 음전극 역할을 하는 광전극은 이산화티타늄(TiO2)과 같은 반도체층을 포함하고, 이 표면에 가시광선 영역의 빛을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성하는 염료가 흡착되어 있다. 염료에 전자를 공급하는 전해액은 I-/I3 - 와 같이 산화-환원 종으로 구성되어 있으며, I- 이온의 공급원으로 LiI, NaI, 알칼암모니움 요오드, 이미다졸리움 요오드 등이 사용되고, I3 - 이온은 I2를 용매에 녹여 생성시킨다. 상대전극은 백금 등으로 이루어지고, 이온 산화환원 반응의 촉매로 작용하여 표면에서의 산화 환원 반응을 통하여 전해액 속의 이온에 전자를 제공하는 역할을 한다.
염료감응 태양전지의 광전극 또는 상대전극을 구성하는 투명전극으로는 불소 도핑 주석산화물(fluoride tin oxide, FTO)이 널리 이용되고 있다. 이러한 불소 도평 주석산화물은 금속 물질에 비하여 상대적으로 전기 저항도가 높으므로 투명전극 위에 전자를 집전하는 그리드 전극을 추가로 형성할 수 있다. 또한 그리드 전극을 서로 연결하기 위한 금속전극은 전자를 집적하는 기능외에도 단위셀의 태양전지를 병렬 또는 직렬로 연결하여 태양전지 모듈을 구성하기 위하여 필요하다. 그리드 전극 물질로는 은(Ag)이 이용될 수 있는데, 은이 전해액이 직접 접촉되면 전해액에 의하여 은이 산화되어 그리드 전극 본래의 기능을 상실할 수 있고, 산화반응에 의하여 생성된 부산물이 전해액에 포함되어 발전 효율을 저하시킬 수도 있다. 따라서 그리드 전극을 전해액로부터 보호하기 위하여 금속전극의 표면을 설린(surlyn)과 같은 밀봉 재료로 밀봉하여야 한다.
도 1은 염료감응 태양전지의 그리드 전극을 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 염료감응 태양전지(100)의 광전극 기판과 상대전극 기판에는 각각 금속전극(113, 123)이 형성되어 있고, 금속전극(113, 123)에 복수개의 그리드 전극(113a, 123a)이 연결되어 있다.
도 2는 그리드 전극이 적용된 염료감응 태양전지의 단면(도 1의 A-A' 방향 단면)을 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 광전극 기판(110)과 상대전극 기판(120)이 대향하여 결합되고 밀봉 부재(115)에 의하여 밀봉되어 기판 사이의 공간에 전해액(116)이 채워진다. 광전극 기판(110) 위에는 투명전극(111, FTO)이 형성되고, 투명전극(111) 위에는 반도체 산화물 층(112)이 형성되며, 중간 중간에는 그리드 전극(113a)이 형성되어 있다. 그리드 전극(113a) 상에는 보호층(114)이 형성되어서 전해액과 그리드 전극(113a)이 직접 접촉되는 것이 방지된다. 상대전극 기판(120)의 하부에는 투명전극(121), 백금층(122)이 차례로 적층되고, 상대전극 기판의 투명전극(121)에도 그리드 전극(123a)과 보호층(124)이 형성된다. 외부 전기 회로가 연결되는 경우, 그리드 전극을 포함하는 염료감응 태양전지에서의 전자 전달 경로는 염료로부터 여기된 전자가 순차적으로 반도체층, 투명전극 및 그리드 전극을 통하여 금속전극으로 이동하여 전기를 공급하게 된다.
여기서 상기 염료로부터 여기된 전자는 금속전극방향으로 이동하면서 계속적으로 염료로부터 여기된 전자가 더해지므로 단위면적당 통과하는 전자 수는 증가하게 되어 금속전극과 인접한 영역에서의 그리드 전극의 저항이 증대되므로 전체적으로 염료감응 태양전지의 광전변환 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 염료로부터 여기된 전자가 그리드 전극을 통하여 금속전극으로의 이동시 저항을 감소시킬 수 있는 염료감응 태양전지를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예인 염료감응 태양전지는 그리드 전극이 형성되어 있는 광전극 단위셀과 상대전극 단위셀을 합착하여 형성되는 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 그리드 전극은 금속전극과 인접한 부분에서의 그리드 전극의 폭이 금속전극과 거리가 먼 부분에서의 그리드 전극의 폭보다 넓은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 그리드 전극은 폭의 변경과 관계없이 개구율을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 광전극 단위셀의 그리드 전극과 상기 상대전극 단위셀의 그리드 전극은 서로 동일한 형태로 형성되며, 각각 대응되도록 합착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 광전극 단위셀상 및 상대전극 단위셀상에 형성되는 금속전극 중 적어도 어느 하나는 상기 그리드 전극과 수평방향으로 형성되는 추가 금속전극과 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 종래 단위 면적당 동일한 개구율(유효면적)을 유지하면서도, 그리드 전극의 폭을 금속전극에서 먼 부분으로부터 상기 금속전극에 가까워질수록 점차적으로 넓게 형성하여 그리드 전극과 금속전극이 연결되는 부분의 저항을 감소시킴으로써 전체적으로 염료로부터 여기된 전자가 금속전극으로 전자 전달이 빠르게 이루어져 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 염료감응 태양전지의 금속 그리드 전극을 도시한 것이다.
도 2는 그리드 전극이 적용된 염료감응 태양전지의 단면을 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 종래 그리드 전극 구조와 본 발명에 따른 광전극 단위셀에서의 그리드 전극 구조와의 개구율을 대비하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 상대전극 단위셀을 도시한 것이다.
도 5a, 5b 및 5c는 본 발명에 따른 금속 그리드 전극이 형성된 염료감응 태양전지를 도시한 것이다.
이하의 상세한 설명은 예시에 지나지 않으며, 본 발명의 실시 예를 도시한 것에 불과하다. 또한 본 발명의 원리와 개념은 가장 유용하고, 쉽게 설명할 목적으로 제공된다.
따라서, 본 발명의 기본 이해를 위한 필요 이상의 자세한 구조를 제공하고자 하지 않았음은 물론 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 실체에서 실시될 수 있는 여러 가지의 형태들을 도면을 통해 예시한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
그리드 전극은 광전극 기판 및 상대전극 기판상에 형성된 투명전극 상에 소정의 패턴으로 형성될 수 있다. 여기서 반도체 산화물층에 흡착된 염료분자에 빛이 흡수되면 전자가 여기되며 이후 여기된 전자는 반도체 산화물층, 투명전극 및 그리드 전극을 통하여 금속전극으로 이동하게 된다. 이하 본 발명의 그리드 전극은 외부에 전해액 침투에 의한 부식을 방지할 수 있는 적어도 하나 이상의 보호층이 형성될 수 있다. 또한 염료감응 태양전지 단위셀의 반도체 산화물층, 촉매층 및 밀봉부재를 형성하는 방법은 당업자에게 자명한 사항이므로 이하에서는 생략한다.
도 3a 및 도 3b는 종래 그리드 전극 구조와 본 발명에 따른 그리드 전극 구조와의 개구율(유효면적)을 대비하기 위한 도면이다.
도 3a는 종래 염료감응 태양전지에 형성된 그리드 전극(310)을 도시한 것으로 도 3a에서 보는 바와 같이, 광전극 단위셀(300)상에는 금속전극(320)과 수직인 방향으로 다수개의 그리드 전극(310) 및 그리드 전극(310)의 사이에는 염료(미도시)가 흡착되어 있는 반도체 산화물층(330)이 형성되어 있다. 상기 그리드 전극(310)은 금속전극과 떨어진 거리에 상관없이 폭이 일정하게 형성됨을 알 수 있다.
한편 염료감응 태양전지에서 광전 변환효율에 영향을 미치는 기준으로 개구율(유효면적)은 단위면적당 빛이 받은 면적의 비로
개구율 = (단위면적-그리드 전극 전체면적)/단위면적
= 1- (xyN1/AB)으로 정의된다.
여기서 x : 그리드 전극 폭, y : 그리드 전극 길이, N1 : 그리드 전극 개수, A 및 B : 기판에서 한변의 길이(A=B)이다.
여기서 단위면적(A*B)이 동일하다면 개구율은 그리드 전극면적에 의존하며 그리드 전극 면적이 동일하게 되면 대비되는 양자의 개구율은 동일하다. 염료감응 태양전지에서 길이(y) 및 폭(x)인 그리드 전극이 N1개일 경우, 그리드 전극 전체면적은 x * y * N1으로 계산된다. 도 3a에서 6개의 그리드 전극(610)이 금속전극(320)과 연결되어 있으며, 그리드 전극 전체면적은 6xy이다.
다음으로 본 발명의 그리드 전극 구조를 갖는 도 3b과 상기 도3a의 개구율을 대비하면, 상술하였듯이 형성된 그리드 전극 전체면적의 동일 여부를 판단하면 되므로 이에 대하여 설명한다.
도 3b에서 보는 바와 같이, 먼저 광전극 단위셀(300)에 형성되어 있는 본 발명에 따른 그리드 전극은 금속전극(350)과 거리가 멀어질수록 그리드 전극(311)의 폭이 작아지도록 형성될 수 있다. 도 3a와 도 3b의 개구율을 비교하면, 도 3b에서는 금속전극(350)과 멀어짐에 따라 점차적으로 좁아진 폭에 따라 감소된 면적(361)만큼 그리드 전극이 차지하는 면적이 작으므로 도 3b의 개구율이 도 3a의 개구율보다 크거나 적어도 동일함을 알 수 있다. 이는 현재 그리드 전극(311)의 폭을 1mm에서 향후 수μm로 형성할 수 있음을 고려하면 도 3b의 개구율은 도 3a의 개구율보다 훨씬 더 커질 수 있다.
도 3b에서의 본 발명에 따른 그리드 전극(311)은 금속전극(350)과 인접한 부분에서의 그리드 전극(311) 폭을 넓게 형성하여 금속전극(350)과 인접한 부분에서의 저항을 감소시킴으로써 전체적으로 염료감응 태양전지의 광전변환 효율을 증대시킬 수 있다.
즉 금속전극과 인접한 영역에서 그리드 전극의 전자 밀도 증가에 따라 저항이 커지는 현상을 그리드 전극(311)의 폭이 금속전극과 먼 영역에서의 그리드 전극의 폭보다 넓혀 저항을 감소시킴으로써 전자의 전달을 빠르게 할 수 있다. 여기서 전자의 전달이 빠르다는 의미는 염료로부터 여기된 전자가 반도체 산화물층 및 투명전극상을 통과할 때 전자 재결합이 일어날 확률을 감소시킬 수 있는 것으로 해석될 수 있으며 이에 따라 광전변환 효율이 증대될 수 있음을 시사한다.
도 4는 본 발명에 따른 상대전극 단위셀을 도시한 것이다.
도 4에서 보는 바와 같이, 상대전극 단위셀(400)은 투명전극(382)상에 형성된 금속전극(450), 상기 금속전극(450)에서 멀어짐에 따라 폭이 좁게 형성되어 있는 그리드 전극(411) 및 촉매층(421)을 포함한다.
여기서 상기 금속전극(450)은 광전극 단위셀(도 3b의 300)과 상대전극 단위셀(400)을 접합시킬 때 광전극 단위셀상에 위치하므로 금속전극(450)이 외부 전기 회로와 연결됨에 어려움이 있다. 따라서 광전극 단위셀(400)은 접합시 외부 전기 회로와 간편하게 연결할 수 있도록 투명전극(382)의 일면 가장자리에 그리드 전극(411)과 수평방향으로 상기 금속전극(450)과 전기적으로 연결되는 추가 금속전극(451)을 형성할 수 있다. 이에 대하여는 도 5에서 상세히 설명한다. 여기서는 상기 추가 금속전극(451)을 상대전극 단위셀(400)을 기준으로 설명하였으나, 양 단위셀(300,4000)을 접합하는 방향에 따라 상대전극 단위셀(400)과 대응되는 광전극 단위셀(300)의 투명전극상에 형성될 수 있음은 당연하다.
상대전극 단위셀(400)에 형성된 그리드 전극(411)은 금속전극(450,451)을 통하여 유입된 전자가 투명전극(382) 및 촉매층(421)으로 이동할 수 있는 경로를 제공하며, 도 3b의 광전극 단위셀(300)상의 그리드 전극(311)과 합착시 대응되도록 형성될 수 있다.
도 5a, 5b, 및 5c는 본 발명에 따른 금속 그리드 전극이 형성된 염료감응 태양전지를 도시한 것이다.
도 5a에서 보는 바와 같이, 염료감응 태양전지(1000)는 광전극 단위셀(300)상의 그리드 전극(311)과 상대전극 단위셀(400)상의 그리드 전극(411)이 대응되도록 실링재(500)에 의하여 합착된 후 전해질 주입에 의하여 형성될 수 있다. 금속전극으로부터 멀어짐에 따라 점차적으로 폭이 감소하도록 형성된 각각의 그리드 전극이 대응되어 합착되므로 어느 하나의 단위셀상에 형성된 금속전극은 다른 하나의 단위셀의 상부에 구조적으로 위치하게 된다.
예를 들어 도 5b를 참조하면, 상대전극 단위셀(400)의 금속전극(450)은 광전극 단위셀(300)상에 위치하므로 외부 전기회로와 연결함에 어려움이 있음으로 도 5c에서 보는 바와 같이 추가 금속전극(451)을 그리드 전극과 수평방향으로 형성함으로써 외부 전기 회로에 간편하게 연결할 수 있다.
따라서 종래 단위 면적당 동일 또는 큰 개구율(유효면적)을 유지하면서도, 본 발명의 그리드 전극의 폭을 금속전극에 가까워질수로 넓게 하여 그리드 전극과 금속전극이 연결되는 부분의 저항을 감소시킴으로써 전체적으로 염료로부터 여기된 전자가 금속전극으로 전자 전달이 빠르게 이루어져 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서는 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
300:광전극 단위셀 311, 411:그리드 전극
321:반도체 산화물층 381,382:투명전극
350,450:금속전극 400:상대전극 단위셀
421:촉매층 451:추가 금속전극
500:실링재 1000:염료감응 태양전지

Claims (4)

  1. 그리드 전극이 형성되어 있는 광전극 단위셀과 상대전극 단위셀을 합착하여 형성되는 염료감응 태양전지에 있어서,
    상기 그리드 전극은 금속전극과 인접한 부분에서의 그리드 전극의 폭이 금속전극과 거리가 먼 부분에서의 그리드 전극의 폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 그리드 전극은 폭의 변경과 관계없이 개구율을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전극 단위셀의 그리드 전극과 상기 상대전극 단위셀의 그리드 전극은 서로 동일한 형태로 형성되며, 각각 대응되도록 합착되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 광전극 단위셀상 및 상대전극 단위셀상에 형성되는 금속전극 중 적어도 어느 하나는 상기 그리드 전극과 수평방향으로 형성되는 추가 금속전극과 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.


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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104638032A (zh) * 2015-01-22 2015-05-20 中电电气（南京）光伏有限公司 太阳能电池正电极栅线、太阳能电池及其制造方法

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