KR20160125748A - 염료감응형 태양전지 - Google Patents

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KR20160125748A
KR20160125748A KR1020150056607A KR20150056607A KR20160125748A KR 20160125748 A KR20160125748 A KR 20160125748A KR 1020150056607 A KR1020150056607 A KR 1020150056607A KR 20150056607 A KR20150056607 A KR 20150056607A KR 20160125748 A KR20160125748 A KR 20160125748A
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황재권
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주식회사 오리온
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Abstract

본 발명은 염료감응형 태양전지를 구성하는 복수의 셀을 복수의 셀군(cell群)으로 구분하고, 각각의 셀군을 병렬 연결시킴으로써 동작 안정성을 향상시킴과 함께 각각의 셀군을 이루는 단위셀들의 면적을 최적 설계함으로써 전자 손실을 최소화할 수 있는 염료감응형 태양전지에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지는 대향하여 봉착된 상부 투명기판과 하부 투명기판; 및 상부 투명기판과 하부 투명기판 사이에 구비되는 복수의 단위셀을 포함하여 이루어지며, 상기 복수의 단위셀은 복수의 셀군으로 구분되며, 상기 셀군은 복수의 단위셀로 구성되며, 상기 복수의 셀군은 병렬 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

염료감응형 태양전지{Dye-sensitized solar cell}
본 발명은 염료감응형 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 염료감응형 태양전지를 구성하는 복수의 셀을 복수의 셀군(cell群)으로 구분하고, 각각의 셀군을 병렬 연결시킴으로써 동작 안정성을 향상시킴과 함께 각각의 셀군을 이루는 단위셀들의 면적을 최적 설계함으로써 전자 손실을 최소화할 수 있는 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
염료감응형 태양전지는 식물의 광합성 원리를 응용한 소자로 엽록체에서 빛에너지를 흡수하는 기능의 색소를 고분자와 결합시켜 태양전지에 적용한 것이다. 염료감응형 태양전지에 있어서, 광전변환을 수행하는 최소 단위소자를 통상, 단위셀이라 하며, 염료감응형 태양전지는 복수의 단위셀로 이루어진다고 할 수 있다. 이러한 복수의 단위셀은 직렬 연결되거나 병렬 연결되는 형태를 이루며, 한국공개특허공보 제2014-24505호는 직렬구조의 염료감응형 태양전지를 제시하고 있다.
직렬구조의 염료감응형 태양전지는 병렬구조보다 출력전압이 높은 구조이며, 도 1에 도시한 바와 같이 봉지재(40)를 매개로 합착된 상부기판과 하부기판 사이의 활성영역(active area)에 복수의 단위셀(C)이 이웃하여 배치되는 구조를 이룬다. 또한, 상부기판에는 상대전극(10), 하부기판에는 광흡수층(20)이 각각 구비되며, 상대전극(10)과 광흡수층(20) 사이의 공간에는 산화환원용 전해질이 채워진다. 상대전극(10), 광흡수층(20) 및 산화환원용 전해질이 구비되는 구조가 단위셀(C)을 의미한다. 단위셀들 사이에는 단위셀들을 직렬 연결하는 금속그리드(30)가 구비된다.
이와 함께, 활성영역의 양단측에 각각 음극 버스바(51), 양극 버스바(52)가 구비된다. 양극 버스바(52)는 상부기판 상에 구비되고, 음극 버스바(51)는 하부기판 상에 구비된다. 직렬 연결된 단위셀들을 통해 수집된 전자는 음극 버스바(51)를 통해 외부 부하로 배출되어 외부 부하에 전기가 인가되며, 외부 부하를 경유한 전자는 양극 버스바를 거쳐 태양전지 내부로 이동된다.
이와 같은 직렬구조의 염료감응형 태양전지에 있어서, 각각의 단위셀(C)에 의해 수집된 전자들은 활성영역의 최종단에 배치된 단위셀(C)을 최종적으로 거쳐 음극 버스바(51)로 전달되는 구조임에 따라, 전자가 단위셀(C)들을 이동하는 과정에서 재결합(recombination)되는 등의 전자 손실이 상당하다. 이는 각각의 단위셀(C)이 동일한 형태를 이루는 구조에서 기인한 측면도 크다. 전자가 최종적으로 배출되는 최종단의 단위셀을 포함한 모든 단위셀이 동일한 면적, 형태를 이룸에 따라, 최종단의 단위셀에 전달되기 전까지 전자 이동거리가 커 전자 손실 가능성이 커진다. 또한, 직렬구조의 염료감응형 태양전지는 단위셀들이 직렬 연결됨에 따라 출력 전압을 높일 수 있는 장점이 있으나, 복수의 단위셀 중 어느 하나의 단위셀에 문제가 발생되더라도 전제 단위셀의 동작에 영향을 미치는 단점이 있다.
한편, 병렬구조의 염료감응형 태양전지의 경우, 직렬구조의 염료감응형 태양전지에 비해 전자 손실 및 동작 안정성의 문제는 덜 하나 출력전압이 낮은 단점이 있다.
한국공개특허공보 제2014-24505호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 염료감응형 태양전지를 구성하는 복수의 셀을 복수의 셀군(cell群)으로 구분하고, 각각의 셀군을 병렬 연결시킴으로써 동작 안정성을 향상시킴과 함께 각각의 셀군을 이루는 단위셀들의 면적을 최적 설계함으로써 전자 손실을 최소화할 수 있는 염료감응형 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지는 대향하여 봉착된 상부 투명기판과 하부 투명기판; 및 상부 투명기판과 하부 투명기판 사이에 구비되는 복수의 단위셀을 포함하여 이루어지며, 상기 복수의 단위셀은 복수의 셀군으로 구분되며, 상기 셀군은 복수의 단위셀로 구성되며, 상기 복수의 셀군은 병렬 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 셀군의 양단측에 각각 음극 버스바, 양극 버스바가 구비되며, 각 셀군의 음극 버스바들과 각 셀군의 양극 버스바들은 각각 병렬 연결된다. 각 셀군의 음극 버스바들은 음극 인터커넥터를 매개로 연결되고, 각 셀군의 양극 버스바들은 양극 인터커넥터를 매개로 연결될 수 있다. 또한, 단위셀 사이에 금속그리드가 구비되며, 각 셀군 내의 단위셀들은 금속그리드를 매개로 직렬 연결될 수 있다.
상기 각 셀군의 단위셀들 중, 수집된 전자들을 상기 음극 버스바를 통해 배출시켜 부하로 공급하는 출력 단위셀의 면적이 가장 크게 형성될 수 있다. 또한, 상기 출력 단위셀이 상기 활성 영역의 최외곽에 배치될 수 있다. 이와 함께, 각 단위셀의 면적은 상기 단위셀에 구비되는 광흡수층 또는 상대전극의 선폭에 상응하여 형성될 수 있다.
상기 각 셀군의 단위셀들 중, 외부 부하로부터 상기 양극 버스바를 통해 환원되는 전자들이 유입되는 입력 단위셀의 면적이 가장 작게 형성될 수 있다. 또한, 상기 각 셀군의 단위셀들 중, 상기 입력 단위셀로부터 상기 출력 단위셀에 이르기까지 상기 단위셀들의 면적이 순차적으로 확대되도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 염료감응형 태양전지는 다음과 같은 효과가 있다.
염료감응형 태양전지의 복수의 단위셀이 복수의 셀군으로 구분되고, 각각의 셀군이 병렬 연결되는 구조임에 따라, 특정 셀군 또는 특정 단위셀에 문제가 발생하더라도 여타 셀군에 영향을 미치지 않게 됨에 따라 동작 안정성을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 각 셀군의 단위셀들의 면적을 최적 설계함으로써 태양전지 내부에서 생성된 전자의 손실을 최소화하여 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 직렬구조의 염료감응형 태양전지의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 평면도.
도 3은 도 2의 I-I`선에 따른 단면도.
도 4는 3개의 셀군으로 이루어진 염료감응형 태양전지를 나타낸 참고도.
도 5는 6개의 셀군으로 이루어진 염료감응형 태양전지를 나타낸 참고도.
본 발명은 복수의 단위셀을 포함하여 이루어지는 염료감응형 태양전지를 구성함에 있어서, 단위셀들을 여러 개의 셀군(cell群)로 나누고 각각의 셀군을 병렬 연결시키는 구조를 제시한다. 또한, 각 셀군을 구성하는 단위셀들에 있어서, 음극 버스바에 인접하는 단위셀(이하, '출력 단위셀'이라 함)의 면적을 가장 크게 설계하는 구조를 제시한다.
단위셀들이 복수의 셀군으로 구분되고, 복수의 셀군이 병렬 연결되는 구조임에 따라, 특정 단위셀에 문제가 발생되더라도 해당 단위셀이 포함된 셀군에만 영향을 미칠 뿐 여타 셀군의 단위셀들은 정상 동작이 가능하다. 또한, 셀군을 이루는 복수의 단위셀 중 최종단 단위셀의 면적을 가장 크게 설계함으로써 최종단 단위셀의 전기저항을 작게 함과 함께 최종단 단위셀을 제외한 나머지 단위셀들을 거치는 전자 이동거리를 최소화하여 전자 손실을 줄일 수 있게 된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지를 상세히 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지는 하부 투명기판(110)과 상부 투명기판(120)을 구비하며, 상기 하부 투명기판(110)과 상부 투명기판(120)은 봉지재를 매개로 합착된다.
상기 상부 투명기판(120)과 하부 투명기판(110)은 복수의 단위셀 영역으로 구분되며, 각 단위셀 영역에 단위셀이 구비된다. 상기 단위셀(21)은 투명도전막(111)(121), 상대전극(140), 광흡수층(130) 및 전해질(150)을 포함하여 구성된다. 상기 투명도전막(111)(121)은 상부 투명기판(120)과 하부 투명기판(110) 각각의 표면 상에 구비되어 광전변환된 전자를 수집하는 역할을 하며, 상기 상대전극(140)은 전해질(150)을 환원시키는 역할을 하며, 상기 광흡수층(130)은 광전변환의 역할을 하며, 상기 전해질(150)은 상기 상대전극(140)과 광흡수층(130) 사이에 구비되어 전자 이동의 매개체 역할을 한다. 또한, 상기 단위셀(21)들 사이에는 이웃하는 단위셀을 전기적으로 직렬 연결시키는 금속그리드(160)가 구비된다.
한편, 상기 복수의 단위셀(21)은 복수의 셀군(cell群)(20)으로 구분되며, 하나의 셀군(20)은 여러 개의 단위셀(21)로 이루어진다. 즉, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지는 복수의 셀군(20)을 구비하며, 각각의 셀군(20)은 복수의 단위셀(21)로 구성되는 형태를 이룬다.
상기 복수의 셀군(20)은 전기적으로 병렬 연결된다. 구체적으로, 각 셀군(20)의 양단측에 음극 버스바(181)와 양극 버스바(182)가 구비되며, 각 셀군(20)의 음극 버스바(181)들은 음극 인터커넥터(191)를 매개로 서로 전기적으로 연결되고 각 셀군(20)의 양극 버스바(182)들은 양극 인터커넥터(192)를 매개로 서로 전기적으로 연결된다. 상기 음극 버스바(181)와 양극 버스바(182) 각각은 인접하는 단위셀의 금속그리드와 전기적으로 연결되며, 상기 음극 버스바(181)는 하부 투명기판(110) 상에 구비되고 양극 버스바(182)는 상부 투명기판(120) 상에 구비된다. 참고로, 도 2는 2개의 셀군으로 이루어진 염료감응형 태양전지를 나타낸 것이고, 도 4는 3개의 셀군, 도 5는 6개의 셀군으로 이루어진 염료감응형 태양전지를 나타낸 것이다.
정리하면, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지는 병렬 연결되는 복수의 셀군(20)을 구비하며, 각각의 셀군(20)을 구성하는 복수의 단위셀(21)은 직렬 연결되는 형태를 이룬다.
각 셀군(20)의 구성 및 동작에 대해 설명하면 다음과 같다. 하나의 셀군(20)이 4개의 단위셀(C1∼C4)로 구성되는 경우를 일 실시예로 하여 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이 각각의 단위셀(C1∼C4)은 투명도전막, 상대전극, 광흡수층 및 전해질로 구성되며, 각각의 단위셀은 금속그리드를 매개로 직렬 연결된다. 구체적으로, 금속그리드(160)는 이웃하는 두 단위셀(예컨대, C3, C4) 사이에 형성되어 이들 중 하나(예컨대, C4)의 광흡수층(130)과 다른 하나(예컨대, C3)의 상대전극(140)을 접속함으로써 두 단위셀(예컨대, C3, C4) 사이의 전기적 직렬 연결을 이룬다.
일 실시예에서, 봉지재(170)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 금속그리드(160)의 둘레에 구비되어 해당 공간을 전해질(150)이 채워져 있는 인접 단위셀 또는 외부 환경으로부터 격리시켜 보호하는 역할을 할 수 있다. 또한, 광흡수층(130)은 금속산화물(TiO2 등)의 나노입자와 이 나노입자의 표면에 화학적으로 흡착된 광감응 염료로 이루어진다. 그리고, 상대전극(140)은 백금(Pt)과 같은 전도성 금속이나 탄소나노튜브(CNT) 등으로 이루어진다.
도 3의 단면 구조상에서 화살표가 가리키는 방향은 전자의 이동 경로를 표시한 것이다. 광흡수층(130)에서 금속산화물의 나노입자 표면에 흡착된 염료에 태양광(가시광선)이 흡수되면 염료는 광합성과 같이 전자를 방출하며, 방출된 전자는 반도체 성질을 가지고 있는 금속산화물을 따라 이동하고 이는 다시 하부 투명기판(110)상의 투명도전막(111)으로 전달되어 전류를 발생시키게 된다. 이때, 전자를 잃어 산화된 염료는 전해질(150)에 의해 다시 환원되어 중성분자가 된다.
기준 단위셀(예컨대, C4)의 광흡수층(130)에서 생성된 전자는 근처의 금속그리드(160)를 경유하여 이웃하는 인접 단위셀(예컨대, C3)의 상대전극(140)으로 이동하고 확산에 의해 상대전극(140)의 표면에 도달한 산화된 전해질(150)을 환원시키게 된다. 이에 따라 전자를 잃은 염료에 전자를 보충하여 산화된 전해질(150)은 다시 전자를 제공받아 환원된다. 상대전극(140)은 환원 반응의 촉매 역할을 한다.
각 단위셀은 이웃하는 단위셀, 구체적으로 이웃하는 단위셀에서 전자를 생성하고 산화되는 전해질(150)에 전자를 보충해주는 역할을 한다. 예를 들어, 제4 단위셀(C4)은 제3 단위셀(C3)의 산화된 전해질(150)에 전자를 보충하고, 제3 단위셀(C3)은 제2 단위셀(C2)의 전해질(150)에 전자를 보충하며, 제2 단위셀(C2)은 제1 단위셀(C1)의 전해질(150)에 전자를 보충한다.
단위셀들이 포함된 태양전지(100) 내부의 활성 영역에서 생성되어 수집된 전자들은 출력 단위셀(C1)의 광흡수층(130) 및 부근의 금속그리드(160)를 경유하여 하부 투명기판(110)의 일단에 구비된 음극 버스바(181)로 이동한 후 음극 버스바(181)를 따라 배출되어 외부 부하에 도달한다. 외부 부하에 전기를 인가한 후 부하로부터 양극 버스바(182)를 통해 환원되는 전자들은 입력 단위셀(C4)의 상대전극(140)으로 유입되어 태양전지(100) 내부의 산화된 전해질(150)을 환원시킨다.
이와 같은 직렬연결 구조에 있어서, 단위셀들(C1 내지 C4) 중 태양전지(100) 내부에서 생성한 전자들을 음극 버스바(181)를 통해 방출시켜 부하로 공급하는 역할을 하는 출력 단위셀(C1)의 면적(크기)이 다른 단위셀들(C2 내지 C4)에 비해 가장 크게 형성된다. 이러한 출력 단위셀(C1)은 단위셀들(C1 내지 C4)이 구성되는 활성 영역의 최외곽 부분에 배치되어 음극 버스바(181)와 인접할 수 있다.
각 단위셀의 면적은 해당 단위셀에 서로 마주보도록 구비되는 광흡수층(130) 및 상대전극(140) 중 어느 하나의 선폭에 상응하여 형성될 수 있다. 일 실시예로, 하나의 단위셀에서 광흡수층(130)이 상대전극(140)보다 큰 선폭으로 형성된 경우 해당 단위셀의 면적은 광흡수층(130)의 선폭에 따라 결정된다. 다른 실시예로, 하나의 단위셀에서 두 전극(130, 140)이 서로 동일한 선폭으로 형성되는 경우 그 단위셀의 면적은 해당 선폭에 비례하여 형성된다. 전극 선폭이 커지면 셀 면적이 커지고, 전극 선폭이 작아지면 셀 면적도 작아진다.
광흡수층(130)이 형성된 하부 투명기판(110)의 경우 전자가 광흡수층(130)의 염료에서 금속산화물로, 다시 인접한 금속그리드(160)로 이동하여 음극 버스바(181)를 통해 외부로 최종 배출되는 구조를 갖는다. 따라서, 태양전지(100) 내부에서 생성한 전자들을 손실 없이 빠르게 이동시키는데 가장 중요한 역할을 하는 것 중 하나는 음극 버스바(181)와 접촉되는 하부 투명기판(110)의 출력 단위셀(C1), 보다 구체적으로 출력 단위셀(C1)에 구비되는 광흡수층(130)의 선폭을 최대화하는 설계 및 이에 따른 저항의 감소이다.
전술한 전자의 이동 경로 및 상부/하면 투명기판(120)(110) 각각의 고유한 역할을 고려한 효율적인 설계를 구현하기 위해, 음극 버스바(181) 근처에 있는 출력 단위셀(C1)의 선폭을 늘려 셀 면적을 단위셀들(C1 내지 C4) 중 가장 크게 조정하여 저항을 최소화함으로써 태양전지(100) 내부에서 생성된 전자들이 가능한 빠르게 외부로 이동될 수 있게 한다. 이에 따라 태양전지(100) 내부에서 생성된 전자가 외부로 배출되지 못하고 손실되는 경우를 최소화하고 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 음극 버스바(181)를 통해 태양전지(100) 내부에서 생성한 전자들을 포집하여 내보내는 하부 투명기판(110)의 고유 역할을 보완할 수 있으며, 태양전지(100) 내부에서 생성된 전자들을 저항 없이 외부로 빠르게 배출하는데 유리하다.
한편, 활성영역 상에 구성된 단위셀들(C1 내지 C4) 중 상대적으로 손실이 큰 양극 버스바(182) 근처에 위치하는 입력 단위셀(C4)은 선폭을 줄여 셀 면적을 상대적으로 작게 구현할 수 있다. 이러한 경우, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 단위셀들(C1 내지 C4) 중 출력 단위셀(C1)의 면적이 가장 크게 형성됨과 더불어 입력 단위셀(C4)의 면적이 가장 작게 형성된다. 또한, 활성영역 상에 배열되는 단위셀들(C1 내지 C4)의 면적이 입력 단위셀(C4)로부터 출력 단위셀(C1)에 이르는 전자 이동 방향을 따라 순차적으로 확대되도록 형성될 수 있다.
20 : 셀군 21 : 단위셀
100 : 염료감응 태양전지 C1, C2, C3, C4: 단위 셀,
110 : 하부 투명기판 120 : 상부 투명기판
111, 121 : 투명도전막 130 : 광흡수층
140 : 상대전극 150 : 전해질
160 : 금속그리드 170 : 봉지재
181 : 음극 버스바 182 : 양극 버스바
191 : 음극 인터커넥터

Claims (9)

  1. 대향하여 봉착된 상부 투명기판과 하부 투명기판; 및
    상부 투명기판과 하부 투명기판 사이에 구비되는 복수의 단위셀을 포함하여 이루어지며,
    상기 복수의 단위셀은 복수의 셀군으로 구분되며, 상기 셀군은 복수의 단위셀로 구성되며, 상기 복수의 셀군은 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 셀군의 양단측에 각각 음극 버스바, 양극 버스바가 구비되며, 각 셀군의 음극 버스바들과 각 셀군의 양극 버스바들은 각각 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 각 셀군의 음극 버스바들은 음극 인터커넥터를 매개로 연결되고, 각 셀군의 양극 버스바들은 양극 인터커넥터를 매개로 연결되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 단위셀 사이에 금속그리드가 구비되며, 각 셀군 내의 단위셀들은 금속그리드를 매개로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 각 셀군의 단위셀들 중, 수집된 전자들을 상기 음극 버스바를 통해 배출시켜 부하로 공급하는 출력 단위셀의 면적이 가장 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 출력 단위셀이 활성 영역의 최외곽에 배치되는 것을 특징으로 하는 직렬연결 구조의 염료감응 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 각 단위셀의 면적은 상기 단위셀에 구비되는 광흡수층 또는 상대전극의 선폭에 상응하여 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 각 셀군의 단위셀들 중, 외부 부하로부터 상기 양극 버스바를 통해 환원되는 전자들이 유입되는 입력 단위셀의 면적이 가장 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 직렬연결 구조의 염료감응 태양전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 각 셀군의 단위셀들 중, 입력 단위셀로부터 출력 단위셀에 이르기까지 상기 단위셀들의 면적이 순차적으로 확대되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 직렬연결 구조의 염료감응 태양전지.
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