KR20160062400A

KR20160062400A - 태양전지의 기능을 갖는 페인트

Info

Publication number: KR20160062400A
Application number: KR1020140165027A
Authority: KR
Inventors: 심영균; 이영준
Original assignee: 심영균; 이영준
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2016-06-02

Abstract

본 발명은 염료감응형 태양전지 및 전자의 이동을 가능하게 하는 전도성 물질을 포함하며 패인트 형태로 제조하는 방법에 관한 것이다. 기존의 태양전지는 덩치가 크고 이동에 불편함이 있다. 하지만 우리 제품은 염료감응 태양전지 단위 Cell을 극소형 크기로 다량 만들어 전기를 통하는 물질을 혼합하여 페인트 형식으로 제조하였다. 이를 통해 고객이 원하는 곳, 원하는 크기, 원하는 방식으로 태양전지를 설치할 수 있게 하여 손쉽게 에너지를 발생케 하였다.

Description

태양전지의 기능을 갖는 페인트 {Paint having a function of solar cell}

본 발명은 염료감응형 태양전지 및 전자의 이동을 가능하게 하는 전도성 물질을 포함하며 패인트 형태로 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 태양전지는 입사되는 빛에너지를 전기에너지로 직접 전환시키는 소자이다. 태양전지는 무한한 에너지원인 태양광을 이용해 전기를 생산하는 것으로, 실리콘 태양전지가 대표적이며, 차세대 태양전지로 염료감응형 태양전지가 연구되고 있다. 실리콘 태양전지는 태양광을 흡수하여 전자-정공의 쌍(electron-hole pair)을 생성하고, 이를 전달하는 부분이 하나인 것에 반해, 염료감응형 태양전지는 태양광을 흡수하여 전자-정공 의 쌍을 생성할 수 있는 염료 분자와 생성된 전자를 전달하는 반도체 산화물 전극으로 나누어진 구조를 가지고 있다. 현재까지 알려진 염료감응형 태양전지의 대표적인 예는 1991년 스위스 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것이 있으며(M, Gratzel, Nature, 353, 737(1991)), 이는 염료 분자가 화학적으로 흡착되어 있는 반도체 산화물 전극에 광을 조사함으로써, 엑시톤(Exiton)을 형성하고, 이 중 전자가 반도체 산화물의 전도대로 도약하여 전류를 발생시키는 원리를 이용하고 있다. 이러한 염료감응형 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조 공정이 간단하고, 전력당 제조 원가가 저렴하기 때문에 기존의 실리콘 태양전지를 대체할 수 있다는 가능성을 가지고 있다.

상기 염료감응형 태양전지는 태양광에 의한 광전기화학적 반응을 이용하여 전기를 생산하는 것이다. 반도체 산화물 전극에 흡착된 염료가 태양광을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성한다. 염료가 태양광을 흡수하여 바닥 상태(ground state, D+/D)에서 들뜬 상태(excited state, D+/D*)로 전이한 후, 전자주입이 이루어진다. 들뜬 상태의 전자는 반도체 산화물의 전도대(conduction band, ECB)로 주입된다. 반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 입자간 계면을 통하여 투명 전도성 기판으로 전달되고, 다시 외부 전선을 통하여 백금층이 코팅된 대전극으로 이동된다. 한편, 반도체 산화물 전극과 대전극 사이에는 산화-환원 유도체을 포함하는 전해질이 주입되어 있다. 태양광 흡수에 의해 산화된 염료는 산화-환원 유도체에 의해 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며, 이때 전자를 공급한 산화-환원 유도체는 대전극에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 염료감응형 태양전지의 작동 과정이 완성된다. 또한, 투명 전도성 기판과 대전극에는 부하(L)가 직렬 연결되어 있어, 단락 전류, 개방 전압 및 충진 계수 등을 측정함으로써 전지의 효율을 알 수 있다. 그러나, 이러한 염료감응형 태양전지는 일반적으로 액상 전해질을 포함하고 있어, 태양전지 모듈의 안정성 문제가 대두되고 있고, 특히 액상 전해질은 밀봉하기가 용이하지 않고, 외부 온도의 상승에 따른 액상 전해질의 휘발 또는 누출의 우려가 있어, 장기간 사용하는 경우 전기화학적으로 안정성이 결여되는 문제점이 있다. 최근에는, 상기와 같은 액상 전해질의 문제점을 해결하고자, 무기 고체 전해질 또는 고분자 고체 전해질 등이 개발되었으나, 이러한 고체 전해질을 사용하는 경우에는 전자 및 이온의 계면 전달이 좋지 않아 액상 전해질을 사용하는 경우에 비해 광전 변환효율이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 이러한 고체 전해질의 문제점을 해결하고자, 겔형 고분자 전해질이 개발되고 있다. 현재까지 개발된 겔형 고분자 전해질은 종래의 액상 전해질이 가지는 휘발 또는 누출의 문제점을 어느 정도 개선하였으나, 전해질 내의 산화-환원 유도체에서 발생하는 전자의 이동 통로를 방해하여 전기화학적 특성에 대한 문제점을 완전하게 개선하지 못하였다.

기존의 태양전지는 덩치가 크고 이동에 불편함이 있다. 또한 덩치가 큰 완제품을 사야 하기 때문에 설치의 어렵다. 본 발명의 목적은 페인트 형태로 다량의 소형 염료감응형 태양전지 단위 Cell을 전도성 물질과 유화제를 섞어, 태양전지 기능을 가지는 페인트를 제조하는 것이다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 다량의 소형 염료감응형 태양전지 단위 Cell을 다수 개 만든다. 전도성 물질을 가루 내어 준비한다. 마지막으로 페인트의 점도를 높이는 유화제를 첨가하여 페인트를 제조한다.

본 발명에 따른 태양전지 기능을 갖는 페인트는 쉽고 간편하게 태양전지를 원하는 위치에 설치하고, 원하는 크기에 원하는 방법으로 설치가 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지 단위 Cell의 실시 예에 대한 개략적인 구조를 도시한 것이다.
도 2은 본 발명에 따른 태양전지 기능을 갖는 페인트의 실시 예에 대한 개략적인 구조를 도시한 것이다.

본 발명은 마이크로 크기의 염료감응형 태양전지의 단위 Cell을 다량으로 만들고, 전도성 물질과 유화제를 함께 배합하여 제조한 태양전지 기능을 갖는 페인트를 말한다. 본 발명에 따르면 도면 1에 염료감응형 태양전지 단위 Cell은 빛을 받기 위해 투명도가 보장 된다. 또한 전기전도도 높은 투명전극(15)에 투명필름(14)을 부착하고 빛을 받아서 염료에서 나온 전자를 받을수있는 산화물반도체 TiO2(17)와 루테늄계 염료(16)를 도면1과 같이 적층한다. 위의 구성물들이 설치된 면의 반대편에 상대전극(11)과 다시 투명전극 글라스 기판(15)을 설치한 후 요오드계 전해질(13)을 Cell 내에서 주입한다. 마지막으로 넣은 전해질이 외부로 세어서 효율이 감소하는 것을 방지 하기 위해 밀봉제(12)로 밀봉한다. 발명에 따른 염료감응형 태양전지 단위 Cell은 빛이 Cell의 투명전극(15)으로 투과 되어서 염료(16)가 빛을 받게 되고 전자가 여기되는 현상을 이용한다. 그에 따라 전자가 발생하고 그 후 전자는 산화물반도체 TiO2(17)를 통해 이동하며, 전자는 다시 투명전극(15)으로 이동하여 패인트에 같이 포함되어있는 전도성 물질로 전자를 공급한다 그 후 필요한 곳에 사용 된 후 다시 전자가 윗부분 투명전극(15)으로 이동하고 상대전극(11)으로 이동한다 이미 염료(16)에서 전자가 빠져 나갔기때문에 요오드계 전해질(13)이 전자를 염료(16)에 다시 제공해주었고 이에 따라 다시 비어있는 전해질(13)의 전자를 다시 상대전극(11)에서 채워주는 역할로써 에너지를 발생시킨다. 발명에 따른 염료감응형 태양전지 단위 Cell은 제조시에 다른 구성물과 배합되어 밀봉 용기에 밀봉된다. 제품이 사용되기 전에는 밀봉 용기에 담겨 보관된다. 제품이 사용되는 시점에는 유화제가 증발하면서 전도성 물질이 형성한 기판 위에 자리잡고 태양빛을 받아 전위차를 생성한다. 그 과정에서 기판 위로 전자가 이동한다. 본 발명에 따른 전극구성 물질은 전기가 통하는 물질(전도성 물질)을 말한다. 전도성 물질은 제품시에 가루형태로 다른 구성물과 배합되어 밀봉 용기에 밀봉된다. 제품이 사용되기 전에 밀봉 상태에서는 페인트 밀봉 용기에 담겨있다. 밀봉 용기가 개봉되고 제품이 사용되는 시점에는 유화제가 증발하면서 전도성 물질들이 점차 절합하여 굳어진 페인트 면에 전기가 통하는 회로를 형성한다. 이 회로는 염료감응형 태양전지 단위 Cell이 생성한 전자를 이 회로상에 들어갈수 있게 하여 전기를 발생시킬수 있도록 한다. 본 발명에서 태양전지와 전기가 통하는 물질의 배합에는 휘발성의 유화제를 포함한다. 제품이 제조되는 시점에서 점도가 있는 액상 형태로 다른 구성물과 배합되어 밀봉 용기에 밀봉된다. 제품이 사용되기 전에는 밀봉 상태로 밀봉 용기에 담겨 보관된다. 밀봉 용기가 개봉되고 제품이 사용되는 시점에서 유화제는 페인트가 목표 지점에 성공적으로 점착할 수 있도록 지원하며 , 점차 증발하여 페인트가 고체화되게 한다. 따라서, 본 발명은 고객이 원하는 곳, 원하는 크기, 원하는 방식으로 태양전지를 설치할 수 있게 하여 손쉽게 에너지를 발생시키게 하는 태양전지 기능을 가지는 페인트를 말한다.

11 : 상대전극 12 :밀봉제
13 : 요오드계 전해질 14 : 투명필름
15 : 투명전극 16 : 루테늄계 염료 17 : 산화물 반도체

Claims

태양전지 기능을 갖는 페인트에 있어서,
적어도 2개 이상의 극도로 작은 염료감응 태양전지 단위 Cell과
페인트가 굳은 후 전극이 되는 전도성 물질과
페인트의 점도를 형성하는 휘발성의 유화제를 포함하는 페인트
제1항에 있어서 염료감응 태양전지 단위 Cell은
진공패키징을 사용하여 내부 전해질의 누유에 대한 저항성이 좋은 단위 Cell을 갖는 태양전지 기능을 갖는 페인트
제1항에 있어서 전도성 물질은 가루형태로 페인트 내에 녹아 있다가, 유화제가 증발하면서 서로 연결되어 태양전지의 기판을 형성하는 전도성 물질을 갖는 태양전지 기능을 갖는 페인트.
제1항에 있어서 유화제는 페인트가 칠해질 때 적정한 점도를 유지하며, 제품이 사용되는 위치에 점착 후 휴발하는 유화제 페인트를 갖는 태양전지 기능을 갖는 페인트.