KR20190060546A - 염료감응형 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 염료감응형 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동일 면적에 대하여 발전효율을 향상시킬 수 있는 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 염료감응형 태양전지는 전도성투명기판, 상기 전도성투명기판 상에 구비되는 광전극, 상기 전도성투명기판에 대향되어 배치되는 상대전극 및 상기 광전극 및 상기 상대전극 사이에 구비되는 전해질을 포함하며, 상기 광전극은 소정의 면적을 가지도록 형성되며, 복수개가 상기 전도성투명기판 상에서 서로 이격되어 일정한 패턴을 가지도록 배치된다.
이러한 본 발명의 염료감응형 태양전지는 전도성투명기판, 상기 전도성투명기판 상에 구비되는 광전극, 상기 전도성투명기판에 대향되어 배치되는 상대전극 및 상기 광전극 및 상기 상대전극 사이에 구비되는 전해질을 포함하며, 상기 광전극은 소정의 면적을 가지도록 형성되며, 복수개가 상기 전도성투명기판 상에서 서로 이격되어 일정한 패턴을 가지도록 배치된다.
Description
본 발명은 염료감응형 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동일 면적에 대하여 발전효율을 향상시킬 수 있는 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
태양광은 지구상에서 가장 풍부하고 고갈의 염려가 없는 에너지원이다.
태양으로부터 지표면에 공급되는 에너지는 청명한 날 1 제곱 미터당 1,000W의 전력 (AM1.5)이 지구상에 도달하고 있으며, 총량은 현재 인류가 사용하는 에너지 총량인 12 테라와트 (TW)의 약 10,000배에 해당하는 약 12만 TW이다.
이와 같이 태양광 에너지는 재생에너지 중에서도 가장 풍부한 자원으로서 미래에 지배적으로 사용될 수 있는 에너지원이 될 수 있음을 예상하고 있다.
태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환하기 때문에 전통적인 화석연료를 연소하는 방법과 달리 전혀 찌꺼기나 공해물질을 생성하지 않는다.
즉, 태양광발전은 화석연료와 달리 지구온난화 주범으로 알려진 탄소배출이 전혀 없는 청정한 에너지 기술이기도 하다.
이와 같이 태양광 발전은 그 양이 무한하게 많고 청정하기 때문에 차세대 인류의 에너지 문제를 해결해 줄 수 있는 가장 확실한 방안으로 인식되고 있어 지금 세계적으로 그 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
그 중에서도 특히 염료감응형 태양전지(DSSC)는 약한 조명 하에서 높은 효율과 입사각에 영향을 받지 않는 전력 출력을 가지는 특성으로 인하여 실리콘 기반의 태양전지에 대한 유망한 대안으로 알려져 있다.
특히, 도시와 같이 태양광의 직접적인 입사에 대한 제한이 큰 경우, 염료감응형 태양전지의 적용을 확대시키기 위해서 염료감응형 태양전지의 발전효율 향상이 필수인 상황이다.
이러한 염료감응형 태양전지의 발전효율을 향상시키기 위하여, 유기염료의 변형, 광 트래핑, 전해질 및 상대전극의 변형 등 다양한 접근의 연구가 지속적으로 이루어졌으나, 염료감응형 태양전지의 발전효율을 약 10%에서 정체되어 있는 문제점이 있다.
따라서, 염료감응형 태양전지의 구조에 대한 재검토 및 염료감응형 태양전지의 광전극 기능의 최적화가 필요한 실정이다.
본 발명의 기술적 과제는, 배경기술에서 언급한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 동일 면적에 대하여 발전효율을 향상시킬 수 있는 염료감응형 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
기술적 과제를 해결하기 위해 안출된 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지는 전도성투명기판, 상기 전도성투명기판 상에 구비되는 광전극, 상기 전도성투명기판에 대향되어 배치되는 상대전극 및 상기 광전극 및 상기 상대전극 사이에 구비되는 전해질을 포함하며, 상기 광전극은 소정의 면적을 가지도록 형성되며, 복수개가 상기 전도성투명기판 상에서 서로 이격되어 일정한 패턴을 가지도록 배치될 수 있다.
여기서, 상기 광전극은 다각형의 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 광전극은 중앙부의 높이가 상대적으로 높게 형성될 수 있다.
이때, 상기 광전극은 반구형으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 광전극은 반구형에서 중앙부가 하방으로 함몰된 형태로 형성될 수 있다.
상기한 구성에 의한 본 발명은 아래와 같은 효과를 기대할 수 있다.
먼저, 염료감응형 태양전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 태양전지의 발전효율 향상에 따라 면적 대비 태양전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
이러한 본 발명에 의한 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 일 실시예에서 광전극의 배치상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 기존의 염료감응형 태양전지에서 전자가 확산되는 패턴을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에서 전자가 확산되는 패턴을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지 변형예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에서 100㎛ 패턴 크기 광전극의 광학 및 주사 전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에서 다양한 크기의 광전극 패턴에 대한 전자현미경 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에서 전기변환효율을 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 일 실시예에서 광전극의 배치상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 기존의 염료감응형 태양전지에서 전자가 확산되는 패턴을 나타내는 도면이다.
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도 6은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에서 100㎛ 패턴 크기 광전극의 광학 및 주사 전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에서 다양한 크기의 광전극 패턴에 대한 전자현미경 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에서 전기변환효율을 나타내는 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응형 태양전지를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
아울러, 본 발명을 설명하는데 있어서, 전방/후방 또는 상측/하측과 같이 방향을 지시하는 용어들은 당업자가 본 발명을 명확하게 이해할 수 있도록 기재된 것들로서, 상대적인 방향을 지시하는 것이므로, 이로 인해 권리범위가 제한되지는 않는다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 일 실시예에서 광전극의 배치상태를 나타내는 도면이다.
또한, 도 3은 기존의 염료감응형 태양전지에서 전자가 확산되는 패턴을 나타내는 도면이며, 도 4는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에서 전자가 확산되는 패턴을 나타내는 도면이다.
그리고, 도 6은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에서 100㎛ 패턴 크기 광전극의 광학 및 주사 전자현미경 사진이며, 도 7은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에서 다양한 크기의 광전극 패턴에 대한 전자현미경 사진이고, 도 8은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에서 전기변환효율을 나타내는 사진이다.
먼저, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지 일 실시예의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 일 실시예는 전도성투명기판(100), 광전극(200), 상대전극(300) 및 전해질(400)을 포함할 수 있다.
전도성투명기판(100)은 태양광을 통과시켜 후술하는 광전극(200)으로 태양광이 도달할 수 있도록 하며, 광전극(200)으로부터 발생되는 전자를 제공받아 이동시키는 구성일 수 있다.
이러한 전도성투명기판(100)은 유리기판 또는 투명 고분자 기판 등 투명기판 상에 투명한 전도성 필름과 같은 투명전극을 증착하여 형성할 수 있다.
전도성투명기판(100)은 외부로부터 태양광의 입사가 가능하도록 투명하게 형성된다면 제한되지 않고 다양한 구성이 적용될 수 있다.
한편, 광전극(200)은 전술한 전도성투명기판(100) 상에 구비되어, 태양광의 입사에 의하여 전자를 배출하는 구성일 수 있다.
이러한 광전극(200)은 다공성 전이금속 산화물에 감광성 염료가 흡착된 형태로 형성될 수 있다.
이때, 다공성 전이금속은 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 이산화주석(SnO2)와 같은 넓은 밴드갭을 가진 n형 산화물 반도체로 구성되며, 이 표면에 단분자층의 염료가 흡착될 수 있다.
이러한 구성은 본 실시예에 제한되지 않으며 염료로부터 빠져나온 전자가 이동할 수 있도록 마련된다면 다양한 구성이 적용될 수 있다.
위와 같은 구성의 광전극(200)은 전도성투명기판(100) 상에서 소정의 면적을 가지도록 형성되며, 복수개가 서로 이격되어 일정한 패턴을 가지도록 배치될 수 있다.
보다 구체적으로, 광전극(200)은 다각형의 형태로 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 육각형의 형태로 형성되어 벌집과 같이 일정한 패턴을 형성하도록 배치될 수 있다.
이러한 패턴은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 전체 면적에서 광전극(200)이 배치되는 면적비율을 가능한 높이고, 복수개의 광전극(200)이 이격되는 공간에 따른 손실을 줄여, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 발전효율을 보다 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 실시예에서 복수개의 광전극(200)이 이격되는 간격의 거리가 보다 작게 배치되는 것이 유리할 수 있다.
전술한 광전극(200)의 패턴은 광전극(200) 소재를 전도성투명기판(100) 상에 스크린 프린팅하여 형성할 수 있으며, 이러한 제조방법은 제한되지 않고 다양할 수 있다.
또한, 광전극(200)은 중앙부의 높이가 상대적으로 높게 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예에서는 광전극(200)이 반구형으로 형성되어, 렌즈 또는 돔과 같은 형태로 배치될 수 있다.
이러한 형태는 광전극(200)을 스크린 프린팅 하는 과정에서 다공성 전이금속 페이스트의 표면장력에 의하여 유도될 수 있다.
위와 같은 광전극(200)의 형태는 광전극(200)에서 발생하는 전자를 전술한 전도성투명기판(100)으로 보다 용이하게 유도하여 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 발전효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기존의 염료감응형 태양전지는 광전극층이 균일한 두께로 형성되어, 광전극(p)에서 생성된 전자(e)가 원형의 이동가능영역(a1)에서 랜덤하게 이동할 수 있다.
반면, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지는 광전극(200)이 패턴으로 인쇄되며 반구형으로 형성되어, 생성된 전자(e)가 타원형의 이동가능영역(a2)에서 이동하며, 이 과정에서 이동하는 전자가 광전극(200)의 표면에서 반사가 일어나 전도성투명기판(100)으로 보다 용이하게 유도될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 광전극(200) 형태로 발전효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
전술한 광전극(200)의 형태 및 배치는 본 실시예에 제한되지 않으며, 복수개의 광전극(200)이 패턴을 형성하며 배열되고, 중앙부가 상대적으로 높은 형태로 형성되어, 전자를 보다 용이하게 전도성투명기판(100)으로 유도할 수 있도록 형성된다면 다양하게 적용될 수 있다.
한편, 상대전극(300)은 전술한 전도성투명기판(100)에 대향되어 배치되는 구성일 수 있다.
이러한 상대전극(300)은 전술한 전도성투명기판(100)과 동일하게 유리기판 또는 투명 고분자 기판 등 투명기판 상에 투명한 전도성 필름과 같은 투명전극을 증착하여 형성할 수 있다.
이때, 상대전극(300)은 투명전극이 전술한 광전극(200)과 대향되는 방향으로 배치될 수 있다.
전술한 전도성투명기판(100) 및 상대전극(300)은 광투과율이 100%인 경우뿐만 아니라 광투과율이 높은 경우를 모두 포함할 수 있다.
한편, 전해질(400)은 전술한 광전극(200) 및 상대전극(300) 사이에 구비되는 구성일 수 있다.
보다 구체적으로, 전해질(400)은 광전극(200) 및 상대전극(300) 간에 전자이동이 가능하도록 광전극(200)과 상대전극(300) 사이의 공간에 함침될 수 있다.
이러한 전해질(400)은 바람직하게는 아세토니트릴(Acetonitrile)이 적용될 수 있으며, 이 이외에도 일반적인 염료감응형 태양전지에 이용되는 전해질이라면 제한되지 않고 다양하게 적용될 수 있다.
또한, 전해질(400)이 외부로 누수되는 것을 방지하기 위하여, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 전도성투명기판(100) 및 상대전극(300)의 외표면에 필름을 코팅할 수 있다.
여기서 코팅필름은 태양광이 투과할 수 있도록 광투과율이 높으면서 전해질(400)이 통과하지 않아 누수의 위험이 없는 소재로 형성되는 것이 유리할 수 있다.
전술한 구성을 포함하는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지를 통하여, 염료감응형 태양전지의 발전효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 태양전지 자체의 발전효율이 향상하므로 동일 면적 대비 태양전지의 발전효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 좀 더 상세하게 설명하기로 한다.
<제1 실시예>
불소 도핑 된 산화 주석 (FTO, sheet resistance 7Ω sq-1, Sigma Aldrich) 유리를 광전극 및 상대 전극의 기판으로 사용한다.
그리고, FTO 유리를 아세톤, 에탄올, 증류수 및 탈 이온수로 30 분간 음파 처리하고 질소 가스로 건조시키며. 차단 층은 스크린 프린팅에 의해 FTO 유리 상에 침착되고, 공기 중 530 ℃에서 3 시간 동안 열처리한다.
패턴화 된 광전극과 균일한 광전극 차단층 위에 8 nm x 8 mm의 영역에 20 nm TiO2 나노 입자를 증착시킨 후 공기 중에서 약 1 시간 동안 500 ℃에서 열처리한다.
이어서, 500 ㎚TiO2 나노 입자를 산란 층으로 증착한 후 대기 중 500 ℃에서 약 1 시간 동안 열처리한다.
그리고, TiO2 증착 된 FTO 유리를 실온에서 20 시간 동안 N719 염료 의 0.3 mM 에탄올 용액에 침지한다.
상대 전극으로는 FTO 유리 위에 3M 테이프를 사용하여 닥터 블레이드로 마스킹 한 백금 페이스트를 450 ℃에서 30 분 동안 공기 중에서 열처리한다.
TiO2 광전극은 설린 필름(surlyn film)을 사용하여 상대 전극과 조립하며, 액체 전해질은 상대 전극의 FTO 유리에 구멍을 통해 주입한다.
액체 전해질은 0.6M 1-butyl-3-methylimidazoli㎛ iodide (BMImI), 0.03 M iodine, 0.1 M guanidine thiocyanate, 0.5 M 4-tert-butylpyridine, 및 0.1 M lithium iodide 로 구성되었고, 혼합 된 Acetonitrile 및 3-methoxypropionitrile에 2:8 부피비로 용해된다.
전술한 과정을 통해 패턴화 된 광전극을 가지는 염료감응형 태양전지를 제조하였으며, 도 6의 (a),(b),(c) 및 (d)에 도시된 바와 같다.
또한, 상기한 패턴에서, 다수의 스크린 공정에 의해 제어되는 광전극의 상이한 두께의 패턴의 단면 이미지는 도 6의 (e) 및 (f)와 같다.
여기서, 광전극의 다양한 두께 및 직경에 대한 광전지 성능 및 확산을 조사하기 위하여, 다양한 광전극 패턴을 가지는 염료감응형 태양전지를 제조하였으며, 도 7에 도시된 바와 같다.
도 7의 (a) 200㎛ 패턴 크기, (b) 300㎛ 패턴 크기, (c) 600㎛ 패턴 크기 및 (d) 1000㎛ 패턴 크기의 패턴 된 광전극의 평면도이고, (e)와 (f)는 각각 100㎛ 패턴 크기와 1000㎛ 패턴 크기를 갖는 패턴 된 광전극의 단면 SEM 이미지이다.
상기한 다양한 광전극 패턴에서, 염료감응형 태양전지 성능은 KG-3 필터와 NREL 인증을받은 태양 시뮬레이터 (Abet Technologies, 모델 Sun 2000, 1000W Xe source, Keithley 2400 source meter)를 사용하여 1.5 AM, 1 태양 조건 하에서 평가하였다.
상기한 실험을 통해, 도 8에 도시된 바와 같이, 균일한 전극의 경우 염료감응형 태양전지 최대 효율은 약 7.1% 이지만, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에서 패턴 크기가 1000㎛일 때 전력변환효율은 7.8%로 증가하며 성능은 향상되고, 광양자 면적 기반 효율은 12.8에 이르는 것을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 광전극(200) 형태에서, 발전효율을 향상됨을 알 수 있다.
이어서, 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지 변형예의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
여기서, 도 5는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지 변형예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 변형예는 전도성투명기판(500), 광전극(600), 상대전극(700) 및 전해질(800)을 포함할 수 있다.
본 변형예에서 전도성투명기판(500), 상대전극(700) 및 전해질(800)의 구성은, 전술한 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지 일 실시예에서의 전도성투명기판(100), 상대전극(300) 및 전해질(400)과 동일한 구성이므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 광전극(600) 역시 전술한 일 실시예의 광전극(200)과 기본적으로는 동일한 구성으로 형성될 수 있다.
다만, 본 변형예에서 광전극(600)은 반구형에서 중앙부가 하방으로 함몰되는 형태로 형성될 수 있다.
이러한 구성은 광전극(600)이 전술한 일 실시예의 광전극(200)에 비해 상대적으로 큰 크기로 인쇄되는 경우일 수 있다.
보다 구체적으로, 광전극(600)이 스크린 프린팅되는 높이에 비하여 폭이 소정비율 이상이 되는 경우, 광전극(600)의 상부는 평탄해지고, 가장자리가 더 두꺼워져, 마치 모자와 유사한 형태로 형성될 수 있다.
이러한 형태는 전술한 일 실시예에서의 광전극(200)과 유사하게 다공성 전이금속 페이스트의 표면장력에 의한 요인과, 광전극(600) 및 스크링 프린팅 마스크의 접촉에 의하여 유도될 수 있다.
위와 같은 광전극(600)의 형태 역시, 광전극(600)에서 발생하는 전자를 전도성투명기판(500)으로 보다 용이하게 유도하여 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 발전효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
전술한 광전극(600)의 형태 및 배치 역시, 본 변형예에 제한되지 않으며, 복수개의 광전극(600)이 패턴을 형성하며 배열되고, 반구형에서 중앙부가 함몰된 형태로 형성되어, 전자를 보다 용이하게 전도성투명기판(500)으로 유도할 수 있도록 형성된다면 다양하게 적용될 수 있다.
전술한 구성을 포함하는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 변형예를 통하여, 염료감응형 태양전지의 발전효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 태양전지 자체의 발전효율이 향상하므로 동일 면적 대비 태양전지의 발전효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100, 500 : 전도성투명기판
200, 600 : 광전극
300, 700 : 상대전극
400, 800 : 전해질
200, 600 : 광전극
300, 700 : 상대전극
400, 800 : 전해질
Claims (5)
- 전도성투명기판;
상기 전도성투명기판 상에 구비되는 광전극;
상기 전도성투명기판에 대향되어 배치되는 상대전극; 및
상기 광전극 및 상기 상대전극 사이에 구비되는 전해질;
을 포함하며,
상기 광전극은 소정의 면적을 가지도록 형성되며, 복수개가 상기 전도성투명기판 상에서 서로 이격되어 일정한 패턴을 가지도록 배치되는 염료감응형 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 광전극은,
다각형의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 광전극은,
중앙부의 높이가 상대적으로 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지. - 제3항에 있어서,
상기 광전극은,
반구형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 광전극은,
반구형에서 중앙부가 하방으로 함몰된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
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2017
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