KR20130090158A - 전해질 주입이 용이한 염료감응 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1 그리드 전극 및 반도체 산화물층이 형성되어 있는 광전극 기판, 제2 그리드 전극 및 촉매층이 형성되어 있은 상대전극 기판, 실링재를 상기 광전극 기판 및 상대전극의 가장자리에 코팅하여 형성된 밀봉부재를 합착한 후 내부공간에 전해질을 주입하기 위한 하나의 전해질 주입구 및 전해질이 외부로 빠져나가기 위한 하나의 전해질 출구를 포함하며, 상기 전해질 주입구 및 전해질 출구는 동일 면상에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 전해질 주입이 용이한 염료감응 태양전지를 제공한다.

본 발명에 따르면, 주입된 전해질이 염료감응 태양전지 내부를 이동하여 방향이 바뀌는 영역의 보호층 또는 밀봉부재의 실링 패턴을 커브형태로 형성하여 전해질의 주입에 따른 내부 구조적 저항을 최소화할 수 있다, 따라서 전해질 주입을 유연하게 하여 염료감응 태양전지 내부 전해질 주입을 완벽하게 할 수 있으며, 전해질 주입 공정 시간을 단축시키는 장점이 있다.

Description

전해질 주입이 용이한 염료감응 태양전지{dye sensitized solar cell for facilitating the electrolyte injection}
본 발명은 염료감응 태양전지용에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 광전극 기판과 상대전극 기판 합착 후 전해질 주입을 용이하게 할 수 있는 전해질 주입이 용이한 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 반도체 산화물층이 포함된 광전극과, 염료분자로 전자를 보충해주는 전해질과, 전해질 용액의 산화환원반응의 촉매 역할을 하는 백금층이 코팅된 상대전극으로 이루어진다. 염료감응 태양전지에 빛이 입사되면 빛을 흡수한 염료가 여기상태(excited state)로 되어 전자를 반도체 산화물층의 전도대로 보내고, 전도된 전자는 전극을 따라 외부 회로로 흘러가서 전기에너지를 전달하고, 전기에너지를 전달한 만큼 낮은 에너지 상태가 되어 상대전극으로 이동한다. 염료는 반도체 산화물층에 전달한 전자 개수만큼 전해질 용액으로부터 전자를 공급받아 원래의 상태로 돌아가게 되는데, 이때 사용되는 전해질은 산화-환원 반응에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 한다. 전지의 음전극 역할을 하는 광전극은 이산화티타늄(TiO2)과 같은 반도체 반도체층을 포함하고, 이 표면에 가시광선 영역의 빛을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성하는 염료가 흡착되어 있다. 염료에 전자를 공급하는 전해질은 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 전해질 속의 이온에 전자를 제공하는 역할을 한다.
도 1은 종래 염료감응 태양전지에서의 전해질 주입을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 종래 염료감응 태양전지는 전해질 주입을 위하여 반도체 산화물층이 형성된 각각의 공간에 대응하는 전해질 주입구(121) 및 전해질 출구(122)를 이용하여 순차적으로 전해질을 주입함에 따라 시간이 많이 소비되며, 전해질 주입공정이 복잡하게 되어 대면적의 염료감응 태양전지에 적용하기에는 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 각각 하나의 전해질 주입구 및 전해질 출구를 이용하여 염료감응 태양전지 내부로 전해질이 빠르게 충진될 수 있는 전해질 주입이 용이한 염료감응 태양전지를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예인 전해질 주입이 용이한 염료감응 태양전지는 제1 그리드 전극 및 반도체 산화물층이 형성되어 있는 광전극 기판, 제2 그리드 전극 및 촉매층이 형성되어 있은 상대전극 기판, 실링재를 상기 광전극 기판 및 상대전극의 가장자리에 코팅하여 형성된 밀봉부재를 합착한 후 내부공간에 전해질을 주입하기 위한 하나의 전해질 주입구 및 전해질이 외부로 빠져나가기 위한 하나의 전해질 출구를 포함하며, 상기 전해질 주입구 및 전해질 출구는 동일 면상에 각각 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 그리드 전극 및 제2 그리드 전극은 서로 연결되어 합착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 그리드 전극 및 제2 그리드 전극 상에는 보호층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전해질 주입구를 통하여 주입되는 전해질의 이동 방향이 바뀌는 부분의 밀봉부재의 실링 패턴은 커브형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 전해질 주입구 및 전해질 출구가 염료감응 태양전지의 동일 측면에 형성되는 경우, 상기 전해질 주입구 또는 전해질 출구에 의하여 전기적으로 단선된 각각의 광전극 또는 상대전극을 연결하기 위한 연결수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 염료감응 태양전지에서 전해질 주입시 각각 하나의 전해질 주입구 및 출구를 이용함으로써 한번의 주입공정으로 간편하게 전해질을 주입할 수 있으며, 또한 전해질을 주입한 후 막음부재로 전해질 주입구 및 출구를 막기 위하여 염료감응 태양전지를 수직으로 세웠을 경우에도 상기 전해질 주입구 및 출구가 동일한 윗방향의 면상에 형성되므로 전해질의 누액을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
또한 주입된 전해질이 염료감응 태양전지 내부를 이동하여 방향이 바뀌는 영역의 보호층 또는 밀봉부재의 실링 패턴을 커브형태로 형성하여 전해질의 주입에 따른 내부 구조적 저항을 최소화할 수 있다, 따라서 전해질 주입을 유연하게 하여 염료감응 태양전지 내부 전해질 주입을 완벽하게 할 수 있으며, 전해질 주입 공정 시간을 단축시키는 장점이 있다.
도 1은 종래 염료감응 태양전지에서의 전해질 주입을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 전해질 주입을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 A-A'방향의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 측면에 형성된 전해질 주입구 및 전해질 출구를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 광전극 단자 및 상대전극 단자가 외부 전기회로와 연결되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
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.
도 2는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 전해질 주입을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 보는 바와 같이, 염료감응 태양전지는 제1 그리드 전극(221) 및 반도체 산화물층(150)이 형성되어 있는 광전극 기판과 제2 그리드 전극(222) 및 촉매층이 형성되어 있는 상대전극 기판을 합착한 후 내부에 형성된 공간에 전해질 주입구(320)를 통하여 전해질을 주입함과 동시에 상기 내부에 형성된 공간에 있는 공기 또는 주입된 전해질을 외부로 빼내기 위한 전해질 출구(310)를 포함할 수 있다. 여기서 상기 전해질 주입구(320) 및 전해질 출구(310)는 염료감응 태양전지의 측면, 상대전극 기판 및 광전극 기판 중 어느 하나의 동일 방향의 면상에 형성될 수 있다.
또한 상기 염료감응 태양전지에 전해질을 주입하기 위하여 상기 전해질 주입구(320)에는 전해질이 담겨 있는 수조(미도시)와 연결되며, 상기 전해질 출구(310)는 진공펌프(미도시)에 연결되어 진공펌프가 염료감응 태양전지 내부의 기체를 흡입함으로써 전해질이 상기 전해질 주입구(320)를 통하여 염료감응 태양전지 내부로 주입될 수 있다. 여기서는 전해질 주입을 위하여 압력을 발생시키는 수단으로 진공펌프를 예를 들어 설명하였으나 이에 한정하지 않으며 염료감응 태양전지 내부로 전해질을 주입할 수 있는 다양한 장치가 이용될 수 있다.
주입된 전해질은 도면부호 350을 참조하면 염료감응 태양전지 내부의 반도체 산화물층을 지나 밀봉부재(250)와 그리드 전극(221,222)의 보호층(251) 사이의 좁은 틈을 통과하는 다수의 U자형의 이동 경로를 따라 이동하게 된다.
따라서 전해질이 상기 U자형의 이동 경로 즉 전해질의 이동방향이 바뀌는 부분은 염료감응 태양전지 내부에 주입된 전해질이 이동하는데 있어서 큰 저항으로 작용하게 되어 전해질의 이동을 방해하므로 전해질 주입시간이 증가하게 되는 문제점이 있다. 한편 이러한 상기 문제점을 해결하기 위하여 밀봉부재(250)와 그리드 전극(221,222)의 보호층(251) 사이의 틈을 비교적 넓게 형성할 수도 있으나 이는 그리드 전극(221,222)의 길이가 짧아지게 되어 반도체 산화물층(150)으로부터 여기된 전자를 수용할 확률이 낮아지게 되므로 결국 광전변환효율을 저하시킬 수 있다.
따라서 본 발명에서는 반도체 산화물층(150)과 그리드 전극(221,222)의 패턴은 그대로 유지한 채 상기 전해질의 이동방향이 바뀌는 U자형 구간에서 저항을 감소시키기 위하여 전해질의 이동에 수직벽으로 작용하는 밀봉부재(250)의 가장자리를 커브형태(255)로 형성할 수 있다. 즉 주입된 전해질은 U자형 구간에서 유연하게 회전함과 동시에 밀봉부재(250)와 그리드 전극(221,222)의 보호층(251) 사이의 틈을 통과함으로써 전해질의 이동을 방해하는 저항을 감소시켜 전해질 주입시간을 감소시킬 수 있다. 밀봉부재(250)의 가장자리를 커브형태로 형성하는 방법은 밀봉부재를 형성하기 위한 마스크 패터닝에 의하여 이루어질 수 있다.
한편 본 발명의 염료감응 태양전지는 전해질 주입구(320) 및 전해질 출구(310)를 동일 면에 형성함으로써 전해질 주입 후 막음부재로 전해질 주입구 및 출구를 막는 공정을 수행시 전해질의 누액을 방지할 수 있음으로 이에 대해서는 먼저 도 3에서 도 1의 A-A' 방향으로 자른 단면도를 통하여 염료감응 태양전지의 내부구조를 살펴본 후 도 4를 통하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 A-A'방향의 단면도이다.
도 3에서 보는 바와 같이, 염료감응 태양전지는 기판(20)상에 코팅된 촉매층(160), 제 2그리드 전극(222) 및 상대전극(211)을 포함하는 상대전극 기판과 기판(30)상에 코팅된 반도체 산화물층(150), 제1 그리드 전극(221) 및 광전극(212)을 포함하는 광전극 기판 및 전해질이 채워질 공간을 확보하기 위하여 양 기판의 가장자리에 코팅되는 밀봉부재(250)로 이루어진다. 여기서 제1 , 제2 그리드 전극은 전해질 침투에 의한 부식을 방지하기 위하여 보호층(251)이 형성될 수 있으며, 상기 보호층(251)은 상호 접촉되어 양 기판을 지지하는 기능을 수행함과 동시에 촉매층(160)및 반도체 산화물층(150)으로 이루어진 단위셀 상호간을 공간적으로 구분하는 기능을 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 측면에 형성된 전해질 주입구 및 전해질 출구를 도시한 것이다.
도 4에서 보는 바와 같이, 전해질 주입구(320) 및 전해질 출구(310)는 그리드 전극이 연결되어 있는 상대전극(213) 및 광전극(214)이 위치한 염료감응 태양전지의 하나의 동일 측면에 형성될 수 있다. 즉 전해질 주입구(320) 및 전해질 출구(310)를 하나의 동일 측면에 형성함으로써 전해질 주입 후 전해질 주입구(320) 및 전해질 출구(310)를 위를 바라보도록 위치시킴으로써 전해질이 새어나가지 않는 상태를 유지할 수 있다. 이후 계속하여 상기 개방된 전해질 주입구(320) 및 전해질 출구(310)에 밀봉부재와 동일한 물질인 막음부재를 코팅하여 밀봉함으로써 전해질 주입공정이 끝나게 된다. 한편 염료감응 태양전지의 측면에 전해질 주입구 및 전해질 출구를 형성하는 방법은 상대전극 및 밀봉부재의 코팅시 이용되는 마스크의 패터닝에 의하여 이루어질 수 있다.
여기서는 전해질 주입구 및 전해질 출구를 염료감응 태양전지의 측면에 형성되는 것을 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정하지 않고 염료감응 태양전지에 있어 동일 면인 상대전극 기판 또는 광전극 기판상에 형성할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 광전극 단자 및 상대전극 단자가 외부 전기회로와 연결되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 (a)는 도 1의 Y를 확대하여 도시한 것으로, 전해질 출구(전해질 주입구도 마찬가지)가 염료감응 태양전지의 측면에 위치하는 경우, 그리드 전극이 연결되어 있는 상대전극(213) 또는 광전극(214)은 각각 대응되는 일측 가장자리에 있는 또 다른 상대전극(211) 또는 광전극(212)과 전기적으로 연결될 수 없는 상태에 있게 된다. 즉 염료로부터 여기된 전자는 그리드 전극을 통하여 광전극(214)으로 집전되며, 광전극(214)은 외부 전기회로와 연결되어 외부로 전자를 공급할 수 있으나 여기서는 전해질 출구 및 주입구의 형성에 따라 각각의 상대전극 또는 광전극 상호간은 전기적으로 단선되어 있는 상태가 된다.
따라서 전해질 주입구 및 전해질 출구를 형성하기 위하여 상대전극 기판과 광전극 기판을 합착하기 전에 각각의 상대전극 또는 광전극 상호간을 전기적으로 연결해야 하며, 도 5의 (b)에서는 각각의 상대전극 또는 광전극 상호간을 전선(610,620)을 이용하여 전기적으로 연결한 후 상대전극 기판과 광전극 기판을 합착한 모습을 도시한 것이다.
한편 도 5의 (b)에서 보는 바와 같이, 상대전극 기판과 광전극 기판을 합착하여 형성된 전해질 출구 및 전해질 주입구를 통하여 전해질을 주입한 후 막음부재(600)를 이용하여 최종적으로 전해질 출구 및 전해질 주입구를 밀봉함으로써 전해질 주입공정이 끝나게 된다.
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.
20,30:기판 100: 염료감응 태양전지
150: 반도체 산화물층 160: 촉매층
211, 213: 상대전극 212, 214: 광전극
221: 제1 그리드 전극 222: 제2 그리드 전극 250: 밀봉부재 251: 보호층 310, 510: 전해질 출구 320, 520: 전해질 주입구 600: 막음부재 610, 620: 전선

Claims (5)

  1. 제1 그리드 전극 및 반도체 산화물층이 형성되어 있는 광전극 기판;
    제2 그리드 전극 및 촉매층이 형성되어 있은 상대전극 기판;
    실링재를 상기 광전극 기판 및 상대전극의 가장자리에 코팅하여 형성된 밀봉부재를 합착한 후 내부공간에 전해질을 주입하기 위한 하나의 전해질 주입구 및
    전해질이 외부로 빠져나가기 위한 하나의 전해질 출구를 포함하며,
    상기 전해질 주입구 및 전해질 출구는 동일 면상에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 전해질 주입이 용이한 염료감응 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 그리드 전극 및 제2 그리드 전극은 서로 연결되어 합착되는 것을 특징으로 하는 전해질 주입이 용이한 염료감응 태양전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 그리드 전극 및 제2 그리드 전극 상에는 보호층이 형성되는 것을 특징으로 하는 전해질 주입이 용이한 염료감응 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 주입구를 통하여 주입되는 전해질의 이동 방향이 바뀌는 부분의 밀봉부재의 실링 패턴은 커브형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전해질 주입이 용이한 염료감응 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 주입구 및 전해질 출구가 염료감응 태양전지의 동일 측면에 형성되는 경우, 상기 전해질 주입구 또는 전해질 출구에 의하여 전기적으로 단선된 각각의 광전극 또는 상대전극을 연결하기 위한 연결수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전해질 주입이 용이한 염료감응 태양전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2015080430A1 (ko) * 2013-11-27 2015-06-04 주식회사 오리온 염료감응형 태양전지

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