KR20190074754A - 윈도우형 광발전 장치 - Google Patents

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문준혁
하수진
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서강대학교산학협력단
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Abstract

본 명세서는 윈도우형 광발전 장치를 제공한다.

Description

윈도우형 광발전 장치{WINDOW TYPE PHOTOVOLTAIC APPARATUS}
본 명세서는 윈도우형 광발전 장치를 제공한다.
최근에 이르러 청정 에너지에 대한 관심이 높아지면서, 태양광을 이용하여 전력을 생산하는데 대한 관심도 크게 증가되고 있다.
태양 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 소자를 통상 태양전지로 칭하고 있다. 태양전지는 그 구조나 동작 방식에 따라 실리콘, 화합물, CIGS, 염료감응형, 유기물 태양전지 등으로 구분할 수 있다. 이 중 염료감응형 태양전지는 광량이 적고 빛의 조사 각도가 10 도 이상만 되면 광전변환이 가능하고, 투명 또는 반투명의 태양전지를 구현할 수 있으며, 유기 염료의 종류에 따라 다양한 색상 구현이 가능하고, 다중 적층형으로 구현할 수 있는 등 다양한 장점을 갖고 있다.
나아가, 태양광 발전시스템 중 빌딩 일체형 태양광발전 즉, BIPV (Building Integrated Photovoltaics)는 태양전지 모듈을 건축 자재화하여 건물에 적용함으로써 경제성은 물론 각종 부가가치를 높여 보다 효율적으로 태양광 발전을 보급 활성화 시킬 수 있는 방식이다.
다만, 대면적의 유리창에 투명 또는 반투명한 태양전지를 적용하는 경우, 전극 면적의 증가에 따른 태양전지의 효율 저하가 수반되므로, 이를 해결하기 위한 연구가 필요한 실정이다.
한국 공개공보: KR 10-2015-0029801 A
본 명세서는 우수한 광투과율을 가지는 윈도우를 가지며, 높은 효율의 광발전을 할 수 있는 윈도우형 광발전 장치를 제공한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시상태는, 윈도우형 집광부; 및 상기 윈도우형 집광부의 적어도 일 측면에 구비되는 프레임부;를 포함하고,
상기 윈도우형 집광부는, 자외선 내지 자색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 이보다 긴 파장 영역의 빛으로 변환시키는 제1 파장변환물질을 포함하는 제1 파장변환층, 및 적외선 내지 적색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 이보다 짧은 파장 영역의 빛으로 변환시키는 제2 파장변환물질을 포함하는 제2 파장변환층을 포함하며,
상기 프레임부는, 상기 윈도우형 집광부와 인접하는 면의 적어도 일부에 태양전지를 구비하고,
상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층에서 변환된 빛은 내부 전반사에 의하여 상기 프레임부의 태양전지에 전달되는 것인 윈도우형 광발전 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 윈도우형 광발전 장치는 대면적의 투과부를 구현할 수 있으며, 이에 따른 태양전지의 효율 저하를 해결할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 윈도우형 광발전 장치는 대면적으로 구현이 가능하여, 건물, 자동차 등의 구조물의 창을 대체하여 광발전이 가능한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 윈도우형 광발전 장치는 태양전지가 프레임부에 구비되어, 집광부에서 태양전지로 인한 광투과율의 저하가 없으므로, BIPV(Building Integrated Photovoltaics)용으로 적합한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 윈도우형 광발전 장치는 태양전지가 집광부의 테두리의 프레임부에 구비되므로, 집광부의 대면적화를 하더라도 이에 비례하여 태양전지의 면적이 늘어나지 않아 가격 경쟁력이 높은 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 윈도우형 광발전 장치의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1에 따른 제1 파장변환층에서의 발광 원리를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1에 따른 제2 파장변환층에서의 발광 원리를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1에 따른 제1 파장변환층에서의 여기 파장 및 방출 파장에 따른 발광 강도를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1에 따른 제2 파장변환층에서의 여기 파장 및 방출 파장에 따른 발광 강도를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1에 따른 제1 파장변환층 및 제2 파장변환층의 파장에 따른 광투과 스펙스럼을 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 1에 따른 염료감응형 태양전지의 염료의 흡수 스펙스럼, 및 제1 파장변환층과 제2 파장변환층의 PL 스펙트럼(Photoluminescence Spectrum)을 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1에 따른 윈도우형 집광부를 디지털 카메라로 촬영한 것이다.
도 9는 참고예 1에 따른 제1 파장변환층에서의 제1 파장변환물질의 함량에 따른 발광 강도를 나타낸 것이다.
도 10은 참고에 2에 따른 제2 파장변환층에서의 증감제의 함량에 따른 발광 강도를 나타낸 것이다.
도 11은 실시예 1에 따른 윈도우형 광발전 장치를 디지털 카메라로 촬영한 것이다.
도 12는 실시예 1 및 비교예 3의 J-V 커브를 나타낸 것이다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에 있어서, "투명"은 소재의 광투과율이 100 %인 경우뿐만 아니라 광 투과율이 약 80% 이상으로 높은 경우를 모두 포함한다.
본 발명자들은 BIPV 용도로서의 윈도우형 태양전지에 대한 연구를 하는 도중, 투명 또는 반투명 태양전지를 대면적화하는 경우, 효율 저하 및 태양전지로 인한 광투과율의 저하 등의 문제점이 있는 것을 발견하였다. 이에, 효율이 우수하고 높은 광투과율을 가지는 창문형 태양전지에 대한 연구를 지속한 결과, 본 발명을 개발하기에 이르렀다.
구체적으로, 본 발명은 기존의 윈도우형 태양전지와 같이 투명 또는 반투명 태양전지를 윈도우 영역에 구비하는 것이 아니라, 윈도우 영역을 집광부로 적용하여 윈도우 영역의 높은 광투과율을 확보하고, 프레임부에 태양전지를 구비하여 윈도우형 집광부로부터 수집되는 광을 통하여 높은 효율의 윈도우형 광발전 장치를 개발하기에 이르렀다. 나아가, 본 발명에 따른 윈도우형 집광부는 집광부에 적외선 및 자외선 부근의 파장을 태양전지가 흡수할 수 있는 가시광선 영역으로 전환하고, 이를 내부 전반사를 통하여 태양전지로 전달하게 되어, 윈도우 영역의 광투과율 저하를 최소화하고, 태양전지의 효율을 크게 향상시킬 수 있었다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는, 윈도우형 집광부; 및 상기 윈도우형 집광부의 적어도 일 측면에 구비되는 프레임부;를 포함하고,
상기 윈도우형 집광부는, 자외선 내지 자색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 이보다 긴 파장 영역의 빛으로 변환시키는 제1 파장변환물질을 포함하는 제1 파장변환층, 및 적외선 내지 적색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 이보다 짧은 파장 영역의 빛으로 변환시키는 제2 파장변환물질을 포함하는 제2 파장변환층을 포함하며,
상기 프레임부는, 상기 윈도우형 집광부와 인접하는 면의 적어도 일부에 태양전지를 구비하고,
상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층에서 변환된 빛은 내부 전반사에 의하여 상기 프레임부의 태양전지에 전달되는 것인 윈도우형 광발전 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 윈도우형 집광부는 기존의 윈도우를 대체할 수 있으므로, 상기 윈도우형 광발전 장치는 건물 또는 자동차용 유리창을 대체할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 프레임부는 상기 윈도우형 집광부의 적어도 일 측면 또는 전체 측면에 구비되는 것일 수 있다. 상기 윈도우형 프레임부는 상기 윈도우형 광발전 장치의 테두리에 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층은 상기 윈도우형 집광부의 집광면에 대하여 적층 구조로 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 파장변환층과 상기 제2 파장변환층은 광학용 접착제를 이용하여 라미네이트된 것일 수 있다. 일 예로, 상기 윈도우형 집광부에 있어서, 집광면의 일면은 상기 제1 파장변환층이 구비되고, 타면은 상기 제2 파장변환층이 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 윈도우형 집광부는 투명 기재를 더 포함할 수 있다. 다만, 광투과율을 고려하여, 상기 윈도우형 집광부는 상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층의 적층체로만 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 윈도우형 광발전 장치의 모식도를 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 1은 제1 파장변환층 및 제2 파장변환층이 적층된 윈도우형 집광부 및 윈도우형 집광부의 일측면에 태양전지를 구비한 프레임부가 구비된 윈도우형 광발전 장치를 나타낸 것이다. 제1 파장변환층은 입사된 태양광의 자외선 내지 자색 파장 영역의 빛을 녹색 파장의 빛으로 변환하고, 제2 파장변환층은 입사된 태양광의 적외선 내지 적색 파장 영역의 빛을 녹색 파장의 빛으로 변환하며, 변환된 빛은 내부 전반사를 통하여 태양전지에 전달하여 광발전을 하게 된다. 다만, 본 발명은 도 1의 구조에 한정되는 것이 아니며, 프레임부는 윈도우형 집광부의 모든 테두리에 구비될 수도 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 윈도우형 집광부의 400 ㎚ 내지 800 ㎚ 파장에서의 평균 광투과율은 50 % 이상, 60 % 이상일 수 있다. 또한, 상기 윈도우형 집광부의 400 ㎚ 내지 800 ㎚ 파장에서의 평균 광투과율은 90 % 이하, 85 % 이하, 또는 80 % 이하일 수 있다.
상기 윈도우형 집광부는 제1 파장변환층에서 자외선 내지 자색 파장 영역의 빛을 흡수하고, 제2 파장변환층에서 적외선 내지 적색 파장 영역의 빛을 흡수하므로, 대부분의 가시광선을 투과시킬 수 있다. 따라서, 상기 윈도우형 집광부는 매우 우수한 광투과율을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층은 각각 변환된 빛을 내부 전반사를 통하여 측면으로 전달할 수 있다. 이를 통하여, 상기 테두리부에 구비된 태양전지는 상기 제1 파장변환부 및 상기 제2 파장변환부에서 변환된 빛을 수용하여 광발전을 할 수 있다.
본 발명에 따른 윈도우형 광발전 장치는 윈도우 영역을 대면적으로 하는 경우 변환되는 빛의 양은 많아지게 되며, 이에 따라 상기 프레임부의 태양전지는 높은 효율로 광발전을 할 수 있다. 이는 기존의 윈도우형 태양전지의 윈도우 영역에 태양전지를 구비하여 발생하는 효율 저하의 문제점을 해결할 수 있는 이점이 있으며, 나아가 윈도우 영역에 태양전지를 구비하지 않으므로 높은 광투과율을 구현할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층에서 변환된 빛은 각각 녹색 파장 영역의 빛일 수 있다.
상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층은 태양전지, 구체적으로 염료감응형 태양전지에서 가장 흡수 효율이 높은 녹색 파장 영역의 빛을 방출하고, 이를 내부 전반사를 통하여 태양전지에 전달할 수 있다. 이를 통하여, 상기 프레임부의 태양전지는 높은 효율로 광발전을 할 수 있는 이점이 있다.
본 명세서에서, 적색 파장 영역은 약 620 ㎚ 내지 약 780 ㎚ 파장 영역을 의미하고, 녹색 파장 영역은 약 495 ㎚ 내지 약 570 ㎚ 파장 영역을 의미하며, 자색 파장 영역은 약 380 ㎚ 내지 약 450 ㎚ 파장 영역을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 파장변환층은 자외선 내지 자색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 흡수하고, 이보다 긴 파장 영역의 빛으로 변환하여 방출할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 파장변환층의 400 ㎚ 내지 800 ㎚ 파장에서의 평균 광투과율은 50 % 이상, 60 % 이상, 또는 70 % 이상일 수 있다. 또한, 상기 제1 파장변환층의 400 ㎚ 내지 800 ㎚ 파장에서의 평균 광투과율은 80 % 이하, 85 % 이하, 또는 80 % 이하일 수 있다. 상기 제1 파장 변환층은 광투과율이 우수한 수지를 고분자 매트릭스로 사용하여 우수한 광투과율을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 파장변환층은 고분자 매트릭스 내에 상기 제1 파장변환물질이 분산된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 파장 변환층의 상기 고분자 매트릭스는 폴리우레탄계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 폴리프로필렌계 수지, 아크릴계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리프로필렌계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트계 수지, 에폭시계 수지 및 폴리아세틸계 수지 중 적어도 1종을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 파장변환물질은 안트라센 또는 이의 유도체; 쿠마린 또는 이의 유도체; 플루오레세인 또는 이의 유도체; 로다민; 에오신; 페릴렌 또는 이의 유도체; 플루오렌 또는 이의 유도체; 및 스틸벤 또는 이의 유도체; 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 파장변환물질은 안트라센 또는 이의 유도체일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 파장변환물질은 안트라센, 또는 9,10-비스(페닐에티닐)안트라센(9,10-bis(phenylethynyl)anthracene)일 수 있다.
상기 제1 파장변환물질은 자외선 내지 자색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 흡수하여 여기된 후, 진동이완(vibrational relaxation)을 통하여 1중항 상태로 전환되며, 흡수한 빛보다 긴 파장 영역, 구체적으로 녹색 파장 영역의 빛을 방출할 수 있다. 구체적으로, 도 2는 실시예 1에 따른 제1 파장변환층에 적용한 9,10-비스(페닐에티닐)안트라센(9,10-bis(phenylethynyl)anthracene)의 발광 원리를 나타낸 것이다. 즉, 도 2는, 제1 파장변환층의 제1 파장변환물질인 9,10-비스(페닐에티닐)안트라센이 자외선 파장 영역의 빛을 흡수하여 여기된 후, 1중항 상태로 전환되며 녹색 파장 영역의 빛을 방출하는 과정을 나타내고 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 파장변환물질의 함량은 상기 제1 파장변환층에 대하여 5 mM 이상 6.5 mM 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 파장변환물질의 함량은 상기 제1 파장변환층에 대하여 5 mM 이상 6 mM 이하, 5.3 mM 이상 5.7 mM 이하, 또는 5.5 mM 일 수 있다.
상기 제1 파장변환물질의 함량은 상기 제1 파장변환층을 형성하는 고분자 매트릭스에 대한 함량일 수 있다. 상기 제1 파장변환물질의 함량이 상기 범위 내인 경우, 변환된 빛이 상기 제1 파장 변환층에서 추출되는 발광 강도가 매우 높게 구현될 수 있다. 나아가, 상기 제1 파장변환물질의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우, 상기 제1 파장변환물질은 상기 제1 파장변환층 내에 침전물을 형성하여 광흡수를 방해하고, 발광된 빛을 흡수하여 상기 제1 파장변환층의 발광 강도를 낮추는 원인이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 파장변환층은 적외선 내지 적색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 흡수하고, 이보다 짧은 파장 영역의 빛으로 변환하여 방출할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 파장변환층의 400 ㎚ 내지 800 ㎚ 파장에서의 평균 광투과율은 50 % 이상, 60 % 이상 또는 70 % 이상일 수 있다. 또한, 상기 제2 파장변환층의 400 ㎚ 내지 800 ㎚ 파장에서의 평균 광투과율은 90 % 이하, 85 % 이하, 또는 80 % 이하일 수 있다. 상기 제1 파장 변환층은 광투과율이 우수한 수지를 고분자 매트릭스로 사용하여 우수한 광투과율을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 파장변환층은 고분자 매트릭스 내에 상기 제2 파장변환물질이 분산된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 파장 변환층의 상기 고분자 매트릭스는 폴리우레탄계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 폴리프로필렌계 수지, 아크릴계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리프로필렌계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트계 수지, 에폭시계 수지 및 폴리아세틸계 수지 중 적어도 1종을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 파장변환물질은 수용체 및 증감제로 이루어진 형광쌍을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 증감제는 적외선 내지 적색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 흡수하여 항간 교차(ISC; intersystem crossing)를 거쳐 3중항 상태로 전환되고, 나아가 증감제의 3중항 상태의 에너지는 3중항-3중항 에너지 전달(TTET; triple-triple energy transfer) 과정을 통하여 인접한 수용체로 전달된다. 이후, 3중항 상태의 두 수용체 사이에서 3중항-3중항 소멸(TTA; triplet-triplet annihilation)이 일어나, 1중항 상태의 수용체를 형성하며 흡수한 빛보다 짧은 파장 영역, 구체적으로 녹색 파장 영역의 빛을 방출할 수 있다. 구체적으로, 도 3은 실시예 1에 따른 제2 파장변환층에 적용한 PdTPBP/BPEA의 증감제/수용체 형광쌍의 발광 원리를 나타낸 것이다. 즉, 도 3은, 제2 파장변환층에서의 PdTPBP/BPEA의 증감제/수용체 형광쌍에서 적외선 내지 적색 파장 영역의 빛을 흡수한 후 녹색 파장 영역의 빛을 방출하는 과정을 나타내고 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 수용체는 안트라센 또는 이의 유도체, 쿠마린 또는 이의 유도체, 플루오레세인 또는 이의 유도체, 로다민, 에오신, 페릴렌 또는 이의 유도체, 플루오렌 또는 이의 유도체, 및 스틸벤 또는 이의 유도체, 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 수용체는 9,10-비스(페닐에티닐)안트라센(9,10-bis(phenylethynyl)anthracene), 페릴렌(perylene), 및 10-디페닐안트라센(10-diphenylanthracene), 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 수용체는 9,10-비스(페닐에티닐)안트라센일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 증감제는 팔라듐-테트라페닐테트라벤조포르피린(palladium-tetraphenyltetrabenzoporphyrin), 팔라듐(II)옥타에틸포르피린(palladium(II) octaethylporphyrin), 및 플래티넘(II) 옥타에틸포르피린(platinum(II)octaethylporphyrin), 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 증감제는 팔라듐-테트라페닐테트라벤조포르피린(PdTPBP)일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 증감제의 함량은 상기 제2 파장변환층에 대하여 0.05 M 이상 0.2 M 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 증감제의 함량은 상기 제2 파장변환층에 대하여 0.05 M 이상 0.15 M 이하, 또는 0.07 M 이상 0.13 M 이하일 수 있다.
상기 증감제의 함량은 상기 제2 파장변환층을 형성하는 고분자 매트릭스에 대한 함량일 수 있다. 상기 증감제의 함량이 상기 범위 내인 경우, 변환된 빛이 상기 제2 파장 변환층에서 추출되는 발광 강도가 매우 높게 구현될 수 있다. 나아가, 상기 증감제의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우, 증감제의 농도가 너무 높아져, 수용체로부터 증감제로의 역 에너지 전달 과정이 일어날 수 있으며, 이에 따라 발광 강도의 저하가 발생될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 증감제와 수용체의 몰비는 1:10 내지 1:1000 일 수 있다. 구체적으로, 상기 증감제와 수용체의 몰비는 1:20 내지 1:700, 또는 1:50 내지 1:600 일 수 있다.
상기 증감제와 수용체의 몰비가 상기 범위 내인 경우, 상기 제2 파장변환층은 증감제에서의 3중항-3중항 소멸이 효과적으로 발생하여 높은 발광 강도를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 프레임부에 구비되는 태양전지는 실리콘계 태양전지, 유기 태양전지, CIGS 태양전지, 염료감응형 태양전지, 화합물 태양전지, 및 페로브스카이트 태양전지 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 구체적으로, 태양전지의 가격 및 입사각에 따른 효율 저하 등을 고려하면, 상기 프레임부에 구비되는 태양전지는 염료감응형 태양전지가 적합할 수 있다. 또한, 염료감응형 태양전지에서 녹색 파장 영역의 빛을 흡수하는 염료를 적용하여 높은 효율을 구현할 수 있는 것이 알려져 있으므로, 상기 프레임부에 구비되는 태양전지를 염료감응형 태양전지로 적용하는 경우, 상기 윈도우형 집광부에서 변환되는 파장 영역의 빛을 효과적으로 활용할 수 있다.
상기 실리콘계 태양전지, 유기 태양전지, CIGS 태양전지, 염료감응형 태양전지, 화합물 태양전지, 및 페로브스카이트 태양전지의 구조 등은 당업계에서 통용되는 것으로서, 자세한 기술은 생각한다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
[ 실시예 1]
윈도우형 집광부의 제조
클로로포름 1 ㎖에 2.5 mg 의 BPEA (Sigma-Aldrich)를 혼합한 용액을 폴리우레탄 (Clear Flex 50)과 혼합한 후, 회전식 증발기를 이용하여 클로로포름을 제거하였다. 이 때, BPEA 의 농도는 5.5 mM 이었다. 나아가, 유리 기판 상에 제조된 조성물을 도포하고, 추가의 유리 기판으로 압착한 후, 상온상습 (25 ℃ 및 50 RH%)의 분위기에서 12시간 동안 경화한 후 유리 기판을 제거하여, 약 1 ㎜의 제1 파장변환층을 제조하였다.
클로로포름 1 ㎖에 1 mg의 PdTPBP (Chemodex)와 2.5 mg 의 BPEA (Sigma-Aldrich)를 혼합한 용액을 폴리우레탄 (Clear Flex 50)과 혼합한 후, 회전식 증발기를 이용하여 클로로포름을 제거하였다. 이 때, PdTPBP 의 몰 농도는 0.11 M 였으며, BPEA 의 몰 농도는 6 M 이었다. 나아가, 유리 기판 상에 제조된 조성물을 도포하고, 추가의 유리 기판으로 압착한 후, 상온상습 (25 ℃ 및 50 RH%)의 분위기에서 12시간 동안 경화한 후 유리 기판을 제거하여, 약 1 ㎜의 제2 파장변환층을 제조하였다.
제조된 제1 파장변환층과 제2 파장변환층을 광학 접착제를 이용하여 라미네이션하여 2 ㎝ × 2 ㎝ 크기의 윈도우형 집광부를 제조하였다.
염료감응형 태양전지의 제조
FTO (fluorinated tin oxide) 기재 상에 닥터 블레이드 코팅을 하여 TiO2 나노 입자 페이스트 (DSL 18NR-T, Dyesol)를 도포하고, 500 ℃에서 15분간 열처리하여 TiO2 광전극을 제조하였다. 상기 TiO2 광전극을 12시간 동안 상온에서 염료 용액 (D205, Mitsubishi Paper Mills Limited, 0.5 mM)에 침지시켜 TiO2 나노 입자를 염료로 감응시켰다. FTO (fluorinated tin oxide) 기재 상에 무수 에탄올중 0.5 mM H2PtCl6 용액을 코팅한 후, 450 ℃에서 30분 동안 열처리하여 Pt 상대 전극을 제조하였다.
상기 열처리하여 TiO2 광전극과 Pt 상대 전극 사이의 갭(gap)은 60 ㎛ 두께의 스페이서 필름(Surlyn, DuPont)을 이용하여 고정되었다.
나아가, 아세토니트릴 (Sigma-Aldrich) 및 발레로니트릴 (Sigma-Aldrich) (85:15 v/v)를 함유하는 용액에 25 mM LiI (Sigma-Aldrich), 55 mM I2 (Yakuri), 0.6 M 디메틸-프로필 이미다졸 아이오다이드 (DMPII, TCI), 및 0.1 M 구아나이디니움 티오시아네이트 (GuSCN, Aldrich)를 혼합하여 제조된 전해액을 상기 갭 사이에 주입하여 광활성층을 제조하였다.
마지막으로, 제조된 제1 파장변환층을 TiO2 광전극 상에 부착하고, 제조된 제2 파장변환층을 Pt 상대 전극 상에 부착하여 1 ㎜ × 5 ㎜ 크기의 유효면적을 가지는 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
윈도우형 광발전 장치의 제조
제조된 윈도우형 집광부의 4개의 모서리면에, 병렬 연결된 상기 염료감응형 태양전지를 광학 접착제를 이용하여 부착하여 윈도우형 광발전 장치를 제조하였다.
도 4는 실시예 1에 따른 제1 파장변환층에서의 여기 파장 및 방출 파장에 따른 발광 강도를 나타낸 것이다. 도 4에 따르면, 제1 파장변환층의 제1 파장변환물질인 BPEA가 약 300 ㎚ 내지 약 500 ㎚ 파장의 빛을 흡수하여 약 510 ㎚ 내지 약 540 ㎚ 파장의 빛을 방출하는 것을 알 수 있다.
도 5는 실시예 1에 따른 제2 파장변환층에서의 여기 파장 및 방출 파장에 따른 발광 강도를 나타낸 것이다. 도 6에 따르면, 제2 파장변환층의 제2 파장변환물질인 PdTPBP/BPEA의 증감제/수용체 형광쌍이 약 600 ㎚ 내지 약 650 ㎚ 파장의 빛을 흡수하여 약 500 ㎚ 내지 약 550 ㎚ 파장의 빛을 방출하는 것을 알 수 있다.
도 6은 실시예 1에 따른 제1 파장변환층 및 제2 파장변환층의 파장에 따른 광투과 스펙스럼을 나타낸 것이다. 도 6에 따르면, 제1 파장변환층에 입사되는 빛은 약 300 ㎚ 내지 약 430 ㎚ 파장 영역의 빛이 흡수되어 가시광선 영역의 빛이 투과되는 것을 알 수 있으며, 제2 파장변환층에 입사되는 빛은 약 600 ㎚ 내지 약 650 ㎚ 파장 영역의 빛이 흡수되고, 나머지 가시광선 영역의 빛을 투과시키는 것을 알 수 있다.
이를 통하여, 상기 윈도우형 집광부는 대부분의 가시광선을 투과시켜 높은 투명도를 구현할 수 있음을 알 수 있다. 이와 같은 윈도우형 집광부의 높은 투명도는 도 8을 통하여 확인할 수 있다.
도 8은 실시예 1에 따른 윈도우형 집광부를 디지털 카메라로 촬영한 것이다. 도 8의 왼쪽 이미지는 윈도우형 집광부에 초점을 맞추어 촬영한 것이고, 오른쪽 이미지는 투과된 영역에 초점을 맞추어 촬영한 것이다. 도 8에서 확인할 수 있듯이, 상기 윈도우형 집광부는 매우 우수한 투명도를 나타내는 것을 알 수 있다.
도 7은 실시예 1에 따른 염료감응형 태양전지의 염료의 흡수 스펙스럼, 및 제1 파장변환층과 제2 파장변환층의 PL 스펙트럼(Photoluminescence Spectrum)을 나타낸 것이다. 도 7에 따르면, 제1 파장변환층 및 제2 파장변환층에서 발광하는 빛의 파장 영역이 염료감응형 태양전지의 흡수 파장 영역과 매우 잘 겹치는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여, 실시예 1에 따른 상기 윈도우형 광발전 장치는 매우 우수한 효율을 구현할 수 있음을 유추할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 흡수 스펙스럼는 UV-vis spectroscopy (SHIMADZU, UV-2550)를 사용하여 측정하였다. 본 명세서에 있어서, PL 스펙트럼의 측정은 spectrofluorophotometer (SHIMADZU, RF-6000)를 사용하여 측정하였다. 본 명세서에 있어서, 광 강도는 Si 기준 전지(BS-520, Bunko-Keiki)를 이용하여 100 mW/cm2로 조정되었다.
[ 참고예 1]
제1 파장변환층의 제1 파장변환물질인 BPEA의 농도를 4.4 mM 내지 7.7 mM로 조절한 것을 제외하고, 실시예 1과 같은 방법으로 제1 파장변환층을 제조하였다. 나아가, BPEA의 농도에 따른 제1 파장변환층의 광흡수에 따른 발광 강도를 측정하였다.
도 9는 참고예 1에 따른 제1 파장변환층에서의 제1 파장변환물질의 함량에 따른 발광 강도를 나타낸 것이다. 도 5에 따르면, BPEA의 농도가 5 mM인 경우 가장 높은 발광 강도를 나타내고, BPEA의 농도가 5 mM을 초과하는 경우 발광 강도가 저하되는 것을 알 수 있다.
[ 참고예 2]
제2 파장변환층의 증감제인 PdTPBP의 농도를 0.05 M 내지 0.45 M로 조절한 것을 제외하고, 실시예 1과 같은 방법으로 제2 파장변환층을 제조하였다. 나아가, PdTPBP의 농도에 따른 제2 파장변환층의 광흡수에 따른 발광 강도를 측정하였다.
도 10은 참고예 2에 따른 제2 파장변환층에서의 증감제의 함량에 따른 발광 강도를 나타낸 것이다. 도 7에 따르면, PdTPBP의 농도가 0.11 M인 경우 가장 높은 발광 강도를 나타내고, PdTPBP의 농도가 0.11 M를 초과하는 경우 발광 강도가 저하되는 것을 알 수 있다.
도 11은 실시예 1에 따른 윈도우형 광발전 장치를 디지털 카메라로 촬영한 것이다. 구체적으로, 도 11은 윈도우형 집광부의 테두리에 염료감응형 태양전지를 병렬로 연결하여 구비한 실시예 1에 따른 윈도우형 광발전 장치를 촬영한 사진이며, 이는 실험상 편의를 위하여 작게 만든 것일 뿐, 대면적으로 용이하게 제작할 수 있다.
[ 비교예 1]
실시예 1과 같은 방법으로 1 ㎜ × 5 ㎜ 크기의 유효면적을 가지는 염료감응형 태양전지를 제조하였다. 나아가, 실시예 1과 같은 방법으로 제1 파장변환층을 제조한 후, 이를 상기 염료감응형 태양전지의 TiO2 광전극 상에 라미네이션 하여 제1 파장변환층을 구비한 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
[ 비교예 2]
실시예 1과 같은 방법으로 1 ㎜ × 5 ㎜ 크기의 유효면적을 가지는 염료감응형 태양전지를 제조하였다. 나아가, 실시예 1과 같은 방법으로 제1 파장변환층 및 제2 파장변환층을 제조한 후, 제조된 제1 파장변환층을 TiO2 광전극 상에 부착하고, 제조된 제2 파장변환층을 Pt 상대 전극 상에 부착하여 제1 및 제2 파장변환층을 구비한 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 염료감응형 태양전지의 광전지 성능을 하기 표 1에 나타내었다.
본 명세서에 있어서, 염료감응형 태양전지의 J-V 특성은 태양광 시뮬레이터(solar simulator, AM 1.5 G 필터를 구비한 1,000 W Xe 램프)에 의하여 제공된, 시뮬레이션된 태양광 하에서 소스 미터(Keithley Instruments)를 이용하여 측정되었다.
J sc
[mA/cm2]		 V oc
[V]		 FF η
[%]
비교예 1 13.2 0.71 0.58 5.4
비교예 2 15.0 0.70 0.58 6.1
실시예 1 20.6 0.64 0.69 9.1
구체적으로, 실시예 1에 따른 윈도우형 광발전 장치는 비교예 1 및 비교예 2에 따른 염료감응형 태양전지에 비하여 높은 효율을 구현할 수 있는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 실시예 1에 따른 윈도우형 광발전 장치의 단락전류(Jsc)는 비교예 1에 따른 염료감응형 태양전지에 비하여 약 56 % 가량 높고, 비교예 2에 따른 염료감응형 태양전지에 비하여 약 37 % 가량 높은 것을 알 수 있다. 나아가, 실시예 1에 따른 윈도우형 광발전 장치의 광전 변환 효율(η)은 비교예 1에 따른 염료감응형 태양전지에 비하여 약 69 % 가량 높고, 비교예 2에 따른 염료감응형 태양전지에 비하여 약 49 % 가량 높은 것을 알 수 있다.
상기 비교예 1 및 비교예 2는 실시예 1과 달리 염료감응형 태양전지의 유효 면적에 대한 광전지 성능으로서, 실시예 1의 윈도우형 집광부의 면적과 동일하게 염료감응형 유기태양전지의 유효면적을 확장시키는 경우에는 상기 표 1에서의 광전지 성능보다 매우 저조할 것을 예측할 수 있다. 이는 염료감응형 태양전지의 전극 면적이 증가함에 따라 저항이 증가되어, 이로 인하여 FF(fill factor)가 증가하게 되며, 이에 따라 광전 변환 효율을 급격하게 떨어지게 되기 때문이다. 이와 같은 사항을 확인하기 위하여, 하기 비교예 3을 이용하여 유효면적 증가에 따른 염료감응형 태양전지의 효율 저하를 확인하였다.
[비교예 3]
실시예 1의 윈도우형 집광부와 동일하게, 유효면적을 2 ㎝ × 2 ㎝ 로 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
도 12는 실시예 1 및 비교예 3의 J-V 커브를 나타낸 것이다. 도 12에 따르면, 실시예 1에 따른 윈도우형 광발전 장치는 이의 윈도우형 집광부와 동일한 크기의 유효면적을 가지는 비교예 3에 따른 염료감응형 태양전지에 비하여 월등하게 우수한 효율을 나타내는 것을 알 수 있다. 참고로, 비교예 3에 따른 염료감응형 태양전지의 광전 변환 효율(η)은 2.8 % 였다.
상기 실시예 및 비교예를 기초로, 본 발명에 따른 윈도우형 광발전 장치는 윈도우형 집광부의 면적을 대면적으로 확장하더라도, 기존의 태양전지와 같이 대면적화 함에 따른 광전 변환 효율의 저하를 방지할 수 있고, 대면적의 집광부를 윈도우로 적용하더라도 높은 광전 변환 효율을 구현할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (11)

  1. 윈도우형 집광부; 및 상기 윈도우형 집광부의 적어도 일 측면에 구비되는 프레임부;를 포함하고,
    상기 윈도우형 집광부는, 자외선 내지 자색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 이보다 긴 파장 영역의 빛으로 변환시키는 제1 파장변환물질을 포함하는 제1 파장변환층, 및 적외선 내지 적색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 이보다 짧은 파장 영역의 빛으로 변환시키는 제2 파장변환물질을 포함하는 제2 파장변환층을 포함하며,
    상기 프레임부는, 상기 윈도우형 집광부와 인접하는 면의 적어도 일부에 태양전지를 구비하고,
    상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층에서 변환된 빛은 내부 전반사에 의하여 상기 프레임부의 태양전지에 전달되는 것인 윈도우형 광발전 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 윈도우형 집광부의 400 ㎚ 내지 800 ㎚ 파장에서의 평균 광투과율은 50 % 이상인 것인 윈도우형 광발전 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층에서 변환된 빛은 각각 녹색 파장 영역의 빛인 것인 윈도우형 광발전 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 파장변환물질은 안트라센 또는 이의 유도체; 쿠마린 또는 이의 유도체; 플루오레세인 또는 이의 유도체; 로다민; 에오신; 페릴렌 또는 이의 유도체; 플루오렌 또는 이의 유도체; 및 스틸벤 또는 이의 유도체; 중 적어도 1종을 포함하는 것인 윈도우형 광발전 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 파장변환물질의 함량은 상기 제1 파장변환층에 대하여 5 mM 이상 6.5 mM 이하인 것인 윈도우형 광발전 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 파장변환물질은 수용체 및 증감제로 이루어진 형광쌍을 포함하는 것인 윈도우형 광발전 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 수용체는 안트라센 또는 이의 유도체, 쿠마린 또는 이의 유도체, 플루오레세인 또는 이의 유도체, 로다민, 에오신, 페릴렌 또는 이의 유도체, 플루오렌 또는 이의 유도체, 및 스틸벤 또는 이의 유도체, 중 적어도 1종을 포함하고;
    상기 증감제는 팔라듐-테트라페닐테트라벤조포르피린, 팔라듐(II)옥타에틸포르피린, 및 플래티넘(II)옥타에틸포르피린, 중 적어도 1종을 포함하는 것인 윈도우형 광발전 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 증감제의 함량은 상기 제2 파장변환층에 대하여 0.05 M 이상 0.2 M 이하인 것인 윈도우형 광발전 장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 증감제와 상기 수용체의 몰비는 1:10 내지 1:1000 인 것인 윈도우형 광발전 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층은 상기 윈도우형 집광부의 집광면에 대하여 적층 구조로 구비된 것인 윈도우형 광발전 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 프레임부에 구비되는 태양전지는 실리콘계 태양전지, 유기 태양전지, CIGS 태양전지, 염료감응형 태양전지, 화합물 태양전지, 및 페로브스카이트 태양전지 중 적어도 1종을 포함하는 것인 윈도우형 광발전 장치.
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