KR20140077242A - 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판, 이를 구비하는 염료감응형 태양전지, 및 염료감응형 태양전지를 구비하는 bipv 모듈 - Google Patents

염료감응형 태양전지용 후면 전극기판, 이를 구비하는 염료감응형 태양전지, 및 염료감응형 태양전지를 구비하는 bipv 모듈 Download PDF

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정영진
김현빈
문동건
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코닝정밀소재 주식회사
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Abstract

본 발명은 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판, 상기 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판을 구비하는 염료감응형 태양전지, 및 상기 염료감응형 태양전지를 구비하는 BIPV 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 염료감응형 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판, 상기 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판을 구비하는 염료감응형 태양전지, 및 상기 염료감응형 태양전지를 구비하는 BIPV 모듈에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 염료감응형 태양전지에 사용되는 후면 전극기판으로서, 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 형성되는 써모크로믹 박막; 및 상기 써모크로믹 박막 상에 형성되는 투명전도막을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판을 제공한다.

Description

염료감응형 태양전지용 후면 전극기판, 이를 구비하는 염료감응형 태양전지, 및 염료감응형 태양전지를 구비하는 BIPV 모듈{COUNTER ELECTRODE PLATE, DYE-SENSITIZED SOLAR CELL HAVING THE SAME, AND BIPV MODULE HAVING THE DYE-SENSITIZED SOLAR CELL}
본 발명은 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판, 상기 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판을 구비하는 염료감응형 태양전지, 및 상기 염료감응형 태양전지를 구비하는 BIPV 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 염료감응형 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판, 상기 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판을 구비하는 염료감응형 태양전지, 및 상기 염료감응형 태양전지를 구비하는 BIPV 모듈에 관한 것이다.
최근 석유 등의 화학 에너지원의 가격이 급등하면서 새로운 에너지원 개발의 필요성이 커지고 있다.
특히, 태양에너지는 석탄이나 석유와 같은 화석연료를 사용하지 않아 친환경적이면서도 무한대의 에너지원인 태양광을 이용하므로 미래의 새로운 대체 에너지원으로서 각광을 받고 있다.
한편, 최근 들어 태양광 발전소 이외에 태양광 발전 기술을 건물에 접목한 건물 일체형 태양광 발전(BIPV; Building Integrated Photovoltaic)시스템에 관한 다양한 연구가 진행되고 있다.
건물 일체형 태양광 발전(BIPV) 시스템은 기존의 태양광 발전(PV) 기술을 건물에 접목하여, 태양전지 모듈 자체가 곧 건물 외장재로서 기존 건물의 마감재를 대체하면서 전기를 발전하는 다기능 복합 시스템을 의미하며, 건물의 창호, 지붕, 외벽 등에 적용 가능하다.
이와 같은 건물 일체형 태양광 발전 시스템은 태양광 에너지로 전기를 생산하고 건물 일체형 태양광 모듈을 건물 외장재로 사용하여 건물의 건설 비용을 줄일 수 있으며, 건물의 가치를 높일 수 있다.
건물 일체형 태양광 발전에 관한 기술은 대한민국 공개특허 제10-2010-0027728호(2010.03.11)에 개시되어 있다.
그러나, 종래의 건물 일체형 태양광 발전은 설치 비용은 높은 반면 많은 전력을 생산할 수 없어 경제성이 낮다는 문제점을 갖는다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 태양광 발전 효율의 향상시킬 수 있는 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판, 이를 구비하는 염료감응형 태양전지, 및 염료감응형 태양전지를 구비하는 BIPV 모듈을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 염료감응형 태양전지에 사용되는 후면 전극기판으로서, 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 형성되는 써모크로믹 박막; 및 상기 써모크로믹 박막 상에 형성되는 투명전도막을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판을 제공한다.
여기서, 상기 써모크로믹 박막은, 이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3), 산화나이오븀(NbO2), 및 황화니켈(NiS) 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 써모크로믹 박막은 TiOx, WOx, SnOx 및 ZnOx 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 써모크로믹 박막은 도펀트가 도핑된 써모크로믹 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 도펀트는 Mo, W, Nb, Ti, Sn, 및 Ni 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
그리고, 상기 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판은, 상기 투명전도막 상에 형성되어 전해질의 산화환원을 촉진시키는 촉매층을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 촉매층은, 백금, 금, 카본, 루비튬 중 적어도 어느 하나로 구현될 수 있다.
또한, 상기 투명전도막은 ITO, FTO, 및 GZO 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 기판은 글래스, PET, PEN 및 PES 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상술한 염료감응형 태양전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 BIPV(Building Intergrated Photovoltaic) 모듈을 제공한다.
본 발명에 따르면, 염료감응형 태양전지의 전면 전극기판을 투과하여 후면 전극기판으로 전달된 태양광이 써모크로믹 박막에서 반사되어 다시 염료로 전달됨으로써, 염료감응형 태양전지의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 건물일체형 태양광발전시스템(BIPV) 모듈이 태양광의 투과/반사를 선택적으로 조절함으로써 건물의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 유리 기판의 일면에 이산화바나듐 박막을 코팅한 써모크로믹 윈도우의 상전이 전/후 온도에 따른 태양광의 투과율 변화를 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판, 이를 구비하는 염료감응형 태양전지, 및 염료감응형 태양전지를 구비하는 BIPV 모듈에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지는 전면 전극기판(100), 광흡수층(200), 전해질층(300), 후면 전극기판(400)을 포함하여 이루어질 수 있다.
전면 전극기판(100)은 투명 기판(110) 상에 투명전도막(120)이 형성된 구조를 갖는다.
투명 기판(110)으로는 두께가 5mm 이하이며, 광 투과율이 90% 이상인 유리 기판을 사용할 수 있다. 다른 예로, 투명 기판(110)으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly(ethylene terephthalate):PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(poly(ethylenenaphthalate):PEN), 폴리카보네이트(polycarbonate:PC), 또는 트리아세틸셀룰로오스(triacetyl cellulose:TAC) 등을 사용할 수 있다.
투명전도막(120)은 투명 기판(110) 상에 형성되고, 인듐주석산화물(indium tin oxide: ITO), 불소가 도핑된 산화주석(fluorine tin oxide: FTO), 산화아연(ZnO)에 갈륨(Ga)이 도핑된 GZO 막이 사용될 수 있다. FTO 막은 열적 안정성 및 표면의 텍스처링(texturing)이 우수하고, ITO 막 및 GZO는 전기전도도 및 광 투과도가 우수하다.
광흡수층(200)은 반도체 미립자(210)와, 반도체 미립자(210)에 흡착되며 가시광 흡수로 전자가 여기되는 광 감응 염료(220)를 포함한다.
반도체 미립자(210)는 실리콘으로 대표되는 단체 반도체 외에, 금속 산화물, 또는 페로브스카이트 구조를 갖는 복합 금속 산화물 등을 사용할 수 있다. 여기서, 반도체는 광 여기하에서 전도대 전자가 캐리어로 되어 애노드 전류를 제공하는 n형 반도체인 것이 바람직하다. 구체적으로 예시하면 반도체 미립자로는 TiOx, WOx, SnOx 및 ZnOx 중 적어도 하나의 코팅층을 가질 수 있다. Ti, W, Sn, Zn, 등의 양이온은 코팅층에 포함되면 가전자대/전도대에의 위치가 달라져 밴드갭(Bandgap)을 Tailoring할 수 있게 된다. 반도체 미립자(210)의 종류는 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상 혼합하여 사용할 수도 있다. 또한, 반도체 미립자(210)는 그 표면에 흡착된 염료(220)가 보다 많은 빛을 흡수하도록 하기 위하여 표면적이 큰 것이 바람직하다. 이에 따라 반도체 미립자(210)는 50nm 이하의 평균 입자 직경을 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 15 내지 25nm의 평균 입자 직경을 가질 수 있다. 입자 직경이 50nm를 초과할 경우, 표면적이 작아져 촉매 효율이 저하될 우려가 있기 때문에 바람직하지 않다.
염료(220)는 태양전지 혹은 광전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 아무 제한 없이 사용할 수 있으나, 루테늄 착물이 바람직하다. 루테늄 착물로서는 RuL2(SCN)2, RuL2(H2O)2, RuL3, RuL2 등을 사용할 수 있다(식중 L은 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트를 나타낸다). 염료(220)는 루테늄 착물 이외에도 예를들어 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소, 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소, 페노사프라닌, 카브리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료, 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물, 기타 아조 색소, 프탈로시아닌 화합물, Ru 트리스비피리딜 등의 착화합물, 안트라퀴논계 색소, 다환 퀴논계 색소 등을 들 수 있으며, 이들을 단독 또는 두가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
전해질층(300)은 전해액으로 이루어진다. 전해액은 요오드계 산화/환원쌍(I-/I3 -)으로서 산화, 환원에 의해 후면 전극기판(400)으로부터 전자를 받아 염료(220)에 전달하는 역할을 수행하며, 이때 개방회로 전압은 염료(220)의 에너지 준위와 전해질층(300)의 산환, 환원 준위의 차이에 의해 결정된다. 전해액은 전면 전극기판(100) 및 후면 전극기판(400) 사이에 균일하게 분산되어 있으며, 또한 광흡수층(200)에 침윤될 수도 있다. 전해액으로서는 예를 들면 요오드를 아세토나이트릴에 용해시킨 용액 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 홀 전도 기능이 있는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다.
후면 전극기판(400)은 투명 기판(410), 투명 기판(410) 상에 형성되는 써모크로믹 박막(420), 및 써모크로믹 박막(420) 상에 형성되는 투명전도막(430)을 포함하여 이루어질 수 있다.
투명 기판(410)은 광 투과율이 90% 이상인 유리 기판을 사용할 수 있다. 다른 예로, 투명 기판(410)으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly(ethylene terephthalate):PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(poly(ethylenenaphthalate):PEN), 폴리카보네이트(polycarbonate:PC), 또는 트리아세틸셀룰로오스(triacetyl cellulose:TAC) 등을 사용할 수 있다.
써모크로믹 박막(420)은 투명 기판(410) 상에 써모크로믹 물질을 코팅함으로써 형성된다. 써모크로믹 물질은 특정 온도(상전이 온도)에서 상전이되는 써모크로믹 현상에 의해 결정구조가 바뀌어 물리적 성질(전기 전도도, 적외선 투과율 등)이 급격히 변화하는 물질로, 상전이 전/후로 태양광 특히, 근적외선의 투과율 내지 반사율이 변화하는 특성을 갖는다. 도 2는 유리 기판의 일면에 이산화바나듐 박막을 코팅한 써모크로믹 윈도우의 상전이 전/후 온도에 따른 태양광의 투과율 변화를 나타낸 그래프이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 이산화바나듐을 유리 기판에 코팅함으로써, 상전이 전(30℃)과 상전이 후(90℃)로 태양광의 투과율, 특히 근적외선 영역에서의 투과율이 변함을 알 수 있다.
이와 같은 써모크로믹 박막(420)에 의해, 염료감응형 태양전지의 전면 전극기판(100)을 투과하여 후면 전극기판(400)으로 전달된 태양광이 써모크로믹 박막(420)에서 반사되어 다시 염료(220)로 전달됨으로써, 염료감응형 태양전지의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
써모크로믹 박막(420)은 태양광의 입사량에 따른 투명 기판(410)의 표면 온도에 따라 상전이 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지가 건물일체형 태양광발전시스템(BIPV) 모듈에 사용될 경우, 여름철과 같이 태양광 입사량이 많은 경우에는 써모크로믹 박막(420)이 상전이 됨에 의한 반사 기능의 강화로 외광의 일사차폐 효과를 가질 수 있고, 겨울철에는 투과 기능이 강화되어 외부광을 실내로 유입할 수 있다. 즉, 태양광의 투과/반사가 선택적으로 조절되어 건물의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
써모크로믹 물질은 이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3), 산화나이오븀(NbO2), 및 황화니켈(NiS) 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고, 써모크로믹 박막(420)은 TiOx, WOx, SnOx, 및 ZnOx와 같은 반도체 미립자를 포함하여 이루어질 수 있다.
써모크로믹 박막(420)은 가시광 투과율이 평균 50 ~ 60% 수준으로 건축물의 시인성을 떨어뜨릴 수 있으므로, 써모크로믹 물질에 TiOx, WOx, SnOx, 및 ZnOx와 같은 반도체 미립자를 포함시킴으로써, 가시광 투과율을 개선할 수 있다. TiOx, WOx, SnOx, 및 ZnOx 중 적어도 어느 하나가 혼합된 써모크로믹 박막은 써모크로믹 물질을 분말 형태로 TiOx, WOx, SnOx, 및 ZnOx와 같은 반도체 미립자에 혼합한 후 이를 투명 기판(410) 상에 코팅함으로써 형성할 수 있다.
또한, 써모크로믹 박막(420)은 도펀트(dopant)가 도핑(doping)된 써모크로믹 물질로 이루어질 수 있다.
써모크로믹 물질에 도펀트를 도핑함으로써, 써모크로믹 물질의 상전이 온도를 제어할 수 있으며, 일반적으로, 도펀트의 도핑 비(doping ration)가 높을수록 써모크로믹 물질의 상전이 온도는 낮아진다.
도핑되는 도펀트는 Mo, W, Nb, Ta, Fe, Al, Ti, Sn, 및 Ni 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
투명전도막(430)은 써모크로믹 박막(420) 상에 형성되고, 인듐주석산화물(indium tin oxide: ITO), 불소가 도핑된 산화주석(fluorine tin oxide: FTO), 산화아연(ZnO)에 갈륨(Ga)이 도핑된 GZO 막이 사용될 수 있다. FTO 막은 열적 안정성 및 표면의 텍스처링(texturing)이 우수하고, ITO 막 및 GZO는 전기전도도 및 광 투과도가 우수하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판(400)은 투명전도막(430) 상에 형성되어 전해질층(300)의 산화환원을 촉진시키는 촉매층(미도시)을 더 포함하여 구현될 수 있다. 촉매층은 백금, 금, 카본, 루비튬 중 적어도 어느 하나로 구현될 수 있다. 일례로, 촉매층이 백금이면 백금흑 상태로, 카본이면 다공질 상태로 되어 있는 것이 바람직하다. 백금흑 상태는 백금의 양극 산화법, 염화백금산 처리 등에 의해, 또한 다공질 상태의 카본은, 카본미립자의 소결이나 유기폴리머의 소성 등의 방법에 의해 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지 내로 태양광이 입사되면 광양자는 먼저 광흡수층 내 염료 분자에 흡수되고, 염료 분자는 기저상태에서 여기상태로 전자 전이하여 전자-홀 쌍을 만든다. 여기상태의 전자는 반도체 미립자 계면의 전도띠(conduction band)로 주입되며, 주입된 전자는 계면을 통해 전면 전극기판으로 전달된다. 이후 외부 회로를 통해 후면 전극기판으로 이동한다. 한편 전자 전이 결과로 산화된 염료는 전해질층 내 산화-환원 이온에 의해 환원되고, 산화된 이온은 전하 중성(charge neutrality)을 이루기 위해 후면 전극기판의 계면에 도달한 전자와 환원 반응을 함으로써 염료감응형 태양전지가 작동하게 된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 전면 전극기판 110: 투명 기판
120: 투명 전도막 200: 광흡수층
210: 반도체 미립자 220: 염료
300: 전해질층 400: 후면 전극기판
410: 투명 기판 420: 써모크로믹 박막
430: 투명전도막

Claims (11)

  1. 염료감응형 태양전지에 사용되는 후면 전극기판으로서,
    투명 기판;
    상기 투명 기판 상에 형성되는 써모크로믹 박막; 및
    상기 써모크로믹 박막 상에 형성되는 투명전도막을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막은,
    이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3), 산화나이오븀(NbO2), 및 황화니켈(NiS) 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막은 TiOx, WOx, SnOx 및 ZnOx 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 박막은 도펀트가 도핑된 써모크로믹 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 도펀트는 Mo, W, Nb, Ti, Sn, 및 Ni 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판은,
    상기 투명전도막 상에 형성되어 전해질의 산화환원을 촉진시키는 촉매층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염려감응형 태양전지용 후면 전극기판.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 촉매층은,
    백금, 금, 카본, 루비튬 중 적어도 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 투명전도막은 ITO, FTO, 및 GZO 중 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 글래스, PET, PEN 및 PES 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
  11. 제10항의 염료감응형 태양전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 BIPV(Building Integrated Photovoltaic) 모듈.

KR1020120144096A 2012-12-12 2012-12-12 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판, 이를 구비하는 염료감응형 태양전지, 및 염료감응형 태양전지를 구비하는 bipv 모듈 KR20140077242A (ko)

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KR1020120144096A KR20140077242A (ko) 2012-12-12 2012-12-12 염료감응형 태양전지용 후면 전극기판, 이를 구비하는 염료감응형 태양전지, 및 염료감응형 태양전지를 구비하는 bipv 모듈

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20150287863A1 (en) * 2014-04-04 2015-10-08 Electronics And Telecommunications Research Institute Transparent solar cell
WO2021251619A1 (ko) * 2020-06-09 2021-12-16 전북대학교산학협력단 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자

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WO2021251619A1 (ko) * 2020-06-09 2021-12-16 전북대학교산학협력단 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자

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