KR20130085225A - 염료감응형 태양전지의 제조 방법 및 이를 위한 태양전지 조립 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염료감응형 태양전지의 제조 방법 및 이를 위한 태양전지 조립 장치에 관한 것으로서, 각각의 태양전지 서브모듈의 전극 상에 전극 패드를 형성하는 단계; 상기 전극 상에 도전성 접착제를 도포하는 단계; 및 복수의 태양전지 서브모듈의 전극을 서로 겹쳐놓은 후, 상기 전극 패드에 전류를 인가하여 상기 도전성 접착제를 가열 및 경화시키는 단계를 포함한다.

Description

염료감응형 태양전지의 제조 방법 및 이를 위한 태양전지 조립 장치{Method for Manufacturing Dye Sensitized Solar Cell and Assembly Apparatus of Solar Cell Therefor}
본 발명은 염료감응형 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 염료감응형 태양전지 셀을 상호 연결하여 염료감응형 태양전지를 구성하는 방법 및 이를 위한 태양전지 조립 장치에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 포함하는 광을 흡수하여 광에너지를 전기에너지로 변환하여 전기에너지를 생산하는 장치이다.
도 1은 일반적인 태양전지 셀의 기본 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 태양전지 셀은 양극 전극(112)이 코팅된 양극 유리기판(110), 음극 전극(122)이 코팅된 음극 유리기판(120), 양극 전극(112) 상부에 단원자층 박막 수준으로 미세하게 도포된 촉매층(114), 염료를 흡착한 상태로 음극 전극(122) 하부에 부착된 TiO2층(124) 및 양극 전극(112)과 음극 전극(122)이 접촉되지 않도록 간격을 유지시키면서 내부에 전해질(130)을 밀봉시키는 밀봉재(140)를 구비한다.
일반적으로 태양전지 셀 하나가 생산하는 전기에너지의 전압은 1.0 V 내외이므로, 실용적인 수준의 전압과 전류를 생성하기 위해서는 여러 개의 태양전지 셀들을 직렬로 연결하여 전압을 높이게 된다.
염료감응형 태양전지는 이러한 단위 염료감응형 태양전지 셀 여러 개를 하나의 유리기판 위에 집적하여 직렬로 연결된 형태의 태양전지 서브모듈을 구성하고, 제작된 태양전지 서브모듈을 직렬 및 병렬로 상호 연결하여 제작한다. 염료감응형 태양전지는 필요에 따라 보호 및 지지 기능을 하는 프레임(Frame) 및 보호용 커버 등을 포함할 수 있다.
도 2는 단일 기판 상에 집적된 태양전지 서브모듈의 일반적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 태양전지 셀의 음극 전극(122)은 밀봉재 기능과 태양전지 셀 간 전기적 절연 기능을 겸하는 격벽(150)을 경유하여 이웃하는 태양전지 셀의 양극 전극(112)과 연결됨으로써 전기적으로 직렬 연결 회로를 구성한다. 이러한 태양전지 셀들이 여러 개 집적되어 하나의 태양전지 서브모듈(Sub-module)을 구성한다.
도 3은 복수의 태양전지 서브모듈을 상호 접속하여 염료감응형 태양전지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 태양전지 서브모듈의 양단에는 양극 유리기판(110) 및 음극 유리기판(120)이 돌출되어 있고, 돌출된 양극 유리기판(110)의 상부와 음극 유리기판(120) 하부에는 양극 전극(112)과 음극 전극(122)이 각각 코팅되어 있다.
돌출된 양극 전극(112) 및 음극 전극(122)을 서로 포개어 접속하되, 전기적 특성을 향상시키기 위하여 도전성 접착제(310)를 사용하여 결합시킨다. 이때, 태양전지 서브모듈을 필요한 수량만큼 직렬로 접속한 것을 스트링(String)이라 하고, 이러한 스트링을 필요한 수량만큼 병렬로 연결하여 염료감응형 태양전지를 제작하게 된다.
도 4는 태양전지 서브모듈 간의 전기적 접속에 일반적으로 사용되는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 금속 테이프(410)의 일단을 태양전지 서브모듈의 돌출된 음극 전극(122)의 일단에 납땜 등의 수단으로 접속하고, 금속 테이프(410)의 타단을 접속하고자 하는 태양전지 서브모듈의 돌출된 양극 전극(112)에 접속하면 전기적 직렬 접속을 구성할 수 있다.
이러한 기존 방식은 단순한 수작업만으로 전기적 접속이 가능하며, 사용하는 소재가 비교적 저렴하다는 장점이 있다.
그러나 종래 태양전지 서브모듈 간의 전기적 접속 방법은 상호 연결되는 태양전지 서브모듈 간의 위치 정밀도가 낮아서 염료감응형 태양전지 외형의 오차가 커지게 되고, 접속부의 강도와 내구성 확보가 곤란하여 별도의 지지용 구조물을 사용해야 할 뿐만 아니라, 각각의 태양전지 서브모듈을 개별적으로 납땜하므로 품질의 균일성도 떨어지게 되며, 자동화에 의한 대량생산에도 적합하지 않다.
상기 문제점들을 해결하는 방법으로서, 도 3에서와 같이 전기 전도성이 우수하고 내구성과 기계적 강도가 뛰어난 도전성 접착제(310)를 사용하여 태양전지 서브모듈의 전극을 상호 접합하면 성능이 우수하고 신뢰성이 높은 염료감응형 태양전지를 제작할 수 있다.
즉, 태양전지 서브모듈의 전극에 도전성 접착제(310)를 도포하고 상호 접속 후 움직이지 않도록 고정한 상태에서 도전성 접착제(310)를 경화시키면 접속부는 기계적으로 고정되며 전기적 연결도 동시에 이루어진다.
도전성 접착제(310)에는 여러 종류가 있으나, 태양전지 서브모듈의 전극 접속과 같이 낮은 저항손실 및 장기간에 걸친 높은 신뢰성을 요구하는 경우에는 에폭시 수지 계의 금속 페이스트를 주로 사용한다.
상기 금속 페이스트는 일반적으로 고온에서 경화되고, 경화되기 전에는 부도체 또는 높은 저항값을 갖지만 경화된 후에는 매우 낮은 저항값을 나타내며, 기계적 강도와 내구성이 우수한 특징을 갖는다.
한편, 염료감응형 태양전지는 액체 전해질을 포함하므로 고온상태가 되면 성능이 저하되거나 파괴될 수 있다. 따라서, 금속 페이스트의 경화를 위해 전극 부위를 고온으로 가열하는 과정에서 염료감응형 태양전지가 손상되지 않도록 해당 부위만 선택적으로 가열하는 것이 필요하다. 이러한 국부 가열 방식으로 레이저 가열, 고주파 유도가열 및 저항가열(Resistive-heating) 방식을 사용할 수 있으며, 열의 전도에 의한 온도 상승을 막기 위하여 필요에 따라 국부 냉각도 병용할 수 있다.
도 5는 저항가열 방식을 이용하여 도전성 접착제를 가열하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 태양전지 서브모듈의 전극(112) 위에 금속 열선(Heating-wire)(510)을 올려놓고, 열선(510)의 두께와 같거나 더 두껍게 도전성 접착제(310)를 도포한다. 이 위에 접속하고자 하는 태양전지 서브모듈의 전극(122)을 겹쳐놓은 후, 열선(510)에 전류를 흘려 열을 발생시키면 도전성 접착제(310)가 가열 경화되면서 태양전지 서브모듈이 서로 고정된다. 이때, 열의 전도에 의한 온도 상승을 막기 위하여 필요에 따라 국부 냉각도 병용할 수 있다. 또한, 금속 열선을 대신하여 전극에 박막 형태의 열선을 부착 성형하여 사용할 수도 있다.
그러나 이와 같이 별도의 열선을 사용하는 경우에는, 전극 부착 부위의 두께가 사용된 열선의 두께보다 얇아질 수 없고, 별도의 열선 또는 열선 증착 공정과 재료가 필요하게 된다.
태양전지 서브모듈의 전극이 도전성을 갖는 박막이므로 여기에 직접 전류를 흘려 가열할 수도 있으나, 도전성 접착제의 경화 온도까지 가열되도록 큰 전류를 가하면 박막 형태의 전극이 파손될 수 있고, 전극의 형태에 따라서는 도전성 접착제가 도포된 부위뿐만 아니라 지나치게 넓은 면적이 가열될 수 있는 문제점이 있다.
염료감응형 태양전지를 구성하기 위해 태양전지 서브모듈의 전극을 상호 접속하는 경우, 접속부에는 수 암페어(A) 내지는 수십 암페어(A)의 전류가 흐를 수 있어야 하고, 접속부의 저항값이 낮아 전력의 손실이 적어야 할 뿐만 아니라, 접속부의 기계적 강도와 내구성이 충분해야 장기간 사용시 염료감응형 태양전지의 신뢰성을 확보할 수 있다.
이와 더불어, 제조 공정이 단순하고 자동화가 용이하여 대량생산에 적합할 뿐만 아니라, 저가의 소재를 사용함으로써 경제성을 높일 수 있어야 한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 요구사항을 만족시키기 위해 창안된 것으로서, 도전성 접착제를 사용하여 태양전지 서브모듈의 전극을 상호 접합함으로써 성능이 우수하고 신뢰성이 높은 염료감응형 태양전지의 제조 방법 및 이를 위한 태양전지 조립 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법은, 각각의 태양전지 서브모듈의 전극 상에 전극 패드를 형성하는 단계; 상기 전극 상에 도전성 접착제를 도포하는 단계; 및 복수의 태양전지 서브모듈의 전극을 서로 겹쳐놓은 후, 상기 전극 패드에 전류를 인가하여 상기 도전성 접착제를 가열 및 경화시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 가열에 의해 도전성 및 기계적 강도를 획득하는 도전성 접착제를 이용하여 복수의 태양전지 서브모듈을 연결하고 고정하는 태양전지 조립 장치에 있어서, 태양전지 서브모듈의 전극에 흐르는 전류를 측정하는 전류계; 상기 태양전지 서브모듈의 전극에 인가되는 전압을 측정하는 전압계; 및 상기 전류계 및 상기 전압계를 이용하여 상기 태양전지 서브모듈의 전극에 흐르는 전류와 상기 태양전지 서브모듈의 전극에 인가되는 전압을 모니터링함으로써 상기 도전성 접착제의 경화 상태를 확인하고, 상기 도전성 접착제가 경화되기 이전의 가열 전력과 상기 도전성 접착제가 경화될 때까지의 가열 전력을 조절하는 전원부를 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 도전성 접착제를 사용하여 복수의 태양전지 서브모듈의 전극을 상호 접합하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법 및 이를 위한 태양전지 조립 장치를 제공함으로써, 태양전지 서브모듈 간의 접속 및 고정을 용이하게 하고, 염료감응형 태양전지의 기계적 강도, 전기적 특성 및 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 태양전지 셀의 기본 구조를 나타낸 도면,
도 2는 단일 기판 상에 집적된 태양전지 서브모듈의 일반적인 구조를 나타낸 도면,
도 3은 복수의 태양전지 서브모듈을 상호 접속하여 염료감응형 태양전지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 4는 태양전지 서브모듈 간의 전기적 접속에 일반적으로 사용되는 방식을 설명하기 위한 도면,
도 5는 저항가열 방식을 이용하여 도전성 접착제를 가열하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 6은 태양전지 서브모듈의 전극에 전극 패드를 형성한 후 전극 패드에 전류를 인가하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 7은 태양전지 서브모듈의 전극에 가열부위 제한을 위한 패턴을 형성한 후 도전성 접착제를 도포하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 8은 유리기판의 전극에 도전성 접착제를 도포한 후 도전성 접착제를 가열 및 경화시키는 과정을 설명하기 위한 도면,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도전성 접착제를 경화시키기 위한 태양전지 조립 장치의 회로도를 나타낸다.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
태양전지 서브모듈의 전극에 직접 전류를 인가하면 대량의 전류가 좁은 접촉면에 집중되거나 아크 방전(Arc Discharge)이 발생하여 전극이 손상될 수 있다. 이를 방지하기 위해 전극과 접촉되는 면적을 넓게 하여 전류 밀도를 낮추고 접촉 저항을 낮게 해야 한다.
따라서, 본 발명의 일실시예에서는 지나치게 넓은 면적이 가열되는 것을 막고 도전성 접착제가 도포된 부위만 선택적으로 가열하기 위해, 태양전지 서브모듈의 전극에 전극 패드를 형성함으로써, 가열을 위한 전류가 흐르는 범위를 제한한다.
도 6은 태양전지 서브모듈의 전극에 전극 패드를 형성한 후 전극 패드에 전류를 인가하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 양극 유리기판(110)의 양극 전극(112) 또는 음극 유리기판(120)의 음극 전극(122)에 전기전도도가 좋은 금속 페이스트를 도포하거나 금속 물질을 증착하여 전극 패드(610)를 형성한다.
또한, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 태양전지 서브모듈의 유리기판(110 또는 120)의 모서리(10a)를 절단하거나, 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이 태양전지 서브모듈의 유리기판(110 또는 120)에 구멍(10b)을 뚫어 전극 패드(610)에 전류를 공급하기 위한 개구부를 형성할 수 있다.
도 7은 태양전지 서브모듈의 전극에 가열부위 제한을 위한 패턴을 형성한 후 도전성 접착제를 도포하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 스크라이빙(Scribing) 또는 식각을 통해 유리기판의 전극에 박막전극 분할부(710)를 형성하여 유리기판의 전극을 여러 부분으로 분리한다. 도 7의 (c), (d)에 도시된 바와 같이 분리된 각각의 전극은 최종 조립되는 태양전지 서브모듈에서 격벽(150)을 통해 개별 셀을 구성하게 된다. 이때, 유리기판의 양쪽 끝에 위치한 전극들은 독립된 셀을 구성함과 동시에 태양전지 서브모듈의 외부 전극의 역할을 동시에 수행하므로, 인접한 다른 분할 전극에 비해 더 넓은 폭을 가진다.
또한, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 유리기판의 전극에 전류 제한을 위한 추가 분할부(720)를 형성한다. 이에 따라, 도전성 접착제(310)의 가열을 위해 공급되는 전류가 전극 패드(610)를 포함하는 가열용 전극(112a)으로만 흐르게 된다.
도 8은 유리기판의 전극에 도전성 접착제를 도포한 후 도전성 접착제를 가열 및 경화시키는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 도전성 접착제(310)를 가열용 전극(112a)과 인접 전극(112b)을 동시에 덮을 수 있도록 도포한다. 경화되기 이전의 도전성 접착제(310)는 부도체 또는 저항값이 매우 높은 상태이므로, 가열 전류가 맨 바깥쪽의 가열용 전극(112a)으로만 흐르게 되어 효과적인 국부 가열이 가능하다.
이후, 유리기판(110)의 열전달에 의해 가열용 전극(112a) 주변의 온도가 도전성 접착제(310)의 경화 온도에 도달하게 되면, 도전성 접착제(310)의 경화가 일어난다. 경화되기 시작한 도전성 접착제(310)는 저항값이 급격히 낮아지게 되므로, 가열용 전극(112a)을 통해 흐르던 전류는 도전성 접착제(310)를 따라 흐르게 된다. 또한, 도전성 접착제(310)는 가열용 전극(112a)뿐만 아니라 인접 전극(112b)에도 도포되어 있으므로, 도전성 접착제(310)가 경화됨에 따라 전류 제한을 위해 추가 분할부(730)에 의해 분리되어 있던 가열용 전극(112a)과 인접 전극(112b)이 전기적으로 접속되게 됨으로써, 전력 인출이 가능하게 된다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법에 따르면, 태양전지 서브모듈의 전극(112)에 별도의 전류 제한을 위한 추가 분할부(720)를 형성하더라도 도전성 접착제(310)의 경화에 의해 태양전지 서브모듈 간의 전기적, 기계적 접속이 가능하다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도전성 접착제를 경화시키기 위한 태양전지 조립 장치의 회로도를 나타낸다.
도 9를 참조하면, Rs는 도전성 접착제의 저항을 나타내고, Rf는 전극의 저항을 나타낸다. Rs와 Rf는 병렬로 연결되어 있으므로, 오옴의 법칙에 따라 전체의 저항값(RT)은 수학식
Figure pat00001
로 정의될 수 있다.
도전성 접착제가 경화되기 이전의 Rs는 매우 크거나 무한대이므로(Rs >> Rf), RT ≒ Rf이고, 대부분의 전류는 Rf를 통해 흐르게 된다.
가열에 의해 도전성 접착제가 경화되기 시작하면 Rs는 급격하게 낮아지며 Rs << Rf가 되므로, 대부분의 전류는 Rs를 통해 흐르게 되고 RT ≒ Rs가 된다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에서는 접속부의 온도와 가열 시간을 조절하여 도전성 접착제를 경화시키는 것과 달리, 전류계(910) 및 전압계(920)를 이용하여 가열 회로에 흐르는 전류와 가열 전극에 걸리는 전압의 변화를 각각 모니터링함으로써 도전성 접착제의 경화 상태를 직접 확인할 수 있다.
또한, 전원부(930)의 전압원(932)과 저항(934)을 적절하게 조정함으로써 도전성 접착제가 경화되기 전의 가열 전력과, 도전성 접착제가 완전히 경화될 때까지의 가열 전력의 변화를 최적화할 수도 있다.
본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
110: 양극 유리기판 112: 양극 전극
112a: 가열용 전극 112b: 인접 전극
114: 촉매층 120: 음극 유리기판
122: 음극 전극 124: TiO2층
130: 전해질 140: 밀봉재
150: 격벽 310: 도전성 접착제
610: 전극 패드 710: 박막전극 분할부
720: 추가 분할부 910: 전류계
920: 전압계 930: 전원부
932: 전압원 934: 저항

Claims (5)

  1. 각각의 태양전지 서브모듈의 전극 상에 전극 패드를 형성하는 단계;
    상기 전극 상에 도전성 접착제를 도포하는 단계; 및
    복수의 태양전지 서브모듈의 전극을 서로 겹쳐놓은 후, 상기 전극 패드에 전류를 인가하여 상기 도전성 접착제를 가열 및 경화시키는 단계;
    를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    스크라이빙(Scribing) 또는 식각을 통해 상기 각각의 태양전지 서브모듈의 전극을 가열용 전극과 복수의 인접 전극으로 분리하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 도전성 접착제를 형성하는 단계에서,
    상기 도전성 접착제를 상기 가열용 전극과 상기 복수의 인접 전극에 걸쳐 형성하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 도전성 접착제가 경화됨에 따라 상기 가열용 전극과 상기 복수의 인접 전극이 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
  5. 가열에 의해 도전성 및 기계적 강도를 획득하는 도전성 접착제를 이용하여 복수의 태양전지 서브모듈을 연결하고 고정하는 태양전지 조립 장치에 있어서,
    태양전지 서브모듈의 전극에 흐르는 전류를 측정하는 전류계;
    상기 태양전지 서브모듈의 전극에 인가되는 전압을 측정하는 전압계; 및
    상기 전류계 및 상기 전압계를 이용하여 상기 태양전지 서브모듈의 전극에 흐르는 전류와 상기 태양전지 서브모듈의 전극에 인가되는 전압을 모니터링함으로써 상기 도전성 접착제의 경화 상태를 확인하고, 상기 도전성 접착제가 경화되기 이전의 가열 전력과 상기 도전성 접착제가 경화될 때까지의 가열 전력을 조절하는 전원부;
    를 포함하는 태양전지 조립 장치.
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