KR20210009434A - 염료 감응형 태양 전지 유닛, 염료 감응형 태양 전지 유닛을 포함하는 태양광 충전기 및 그 태양 전지 유닛을 제조하는 방법 - Google Patents
염료 감응형 태양 전지 유닛, 염료 감응형 태양 전지 유닛을 포함하는 태양광 충전기 및 그 태양 전지 유닛을 제조하는 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 염료 감응형 태양 전지 유닛 (1) 에 관한 것으로서, 염료 감응형 태양 전지 유닛 (1) 은:
- 다공성 광 흡수층 (10) 을 포함하는 작동 전극,
- 광 흡수층 (10) 으로부터 광 생성된 전자를 추출하기 위한 도전성 재료를 포함하는 다공성 제 1 도전층 (12),
- 절연 재료로 만들어진 다공성 절연층 (105),
- 상기 다공성 절연층 (105) 의 반대 측에 형성된 다공성 촉매 도전층 (106) 을 포함하는 카운터 전극, 및
- 전자들을 카운터 전극으로부터 작동 전극으로 수송하고 다공성 제 1 도전층 (12), 다공성 촉매 도전층 (106), 및 다공성 절연층 (105) 의 구멍들 내에 배열되는 이온 기반 전해질로서, 제 1 도전층 (12) 은 도전성 재료의 표면들 상에 형성된 절연 산화물 층 (109) 을 포함하고, 다공성 촉매 도전층 (106) 은 도전성 재료 (107') 및 도전성 재료로부터 전해질로의 전자들의 수송을 향상시키기 위한 도전성 재료에 분포된 촉매 입자들 (107'') 을 포함하는, 상기 이온 기반 전해질을 포함한다.
- 다공성 광 흡수층 (10) 을 포함하는 작동 전극,
- 광 흡수층 (10) 으로부터 광 생성된 전자를 추출하기 위한 도전성 재료를 포함하는 다공성 제 1 도전층 (12),
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- 전자들을 카운터 전극으로부터 작동 전극으로 수송하고 다공성 제 1 도전층 (12), 다공성 촉매 도전층 (106), 및 다공성 절연층 (105) 의 구멍들 내에 배열되는 이온 기반 전해질로서, 제 1 도전층 (12) 은 도전성 재료의 표면들 상에 형성된 절연 산화물 층 (109) 을 포함하고, 다공성 촉매 도전층 (106) 은 도전성 재료 (107') 및 도전성 재료로부터 전해질로의 전자들의 수송을 향상시키기 위한 도전성 재료에 분포된 촉매 입자들 (107'') 을 포함하는, 상기 이온 기반 전해질을 포함한다.
Description
본 발명은 염료 감응형 태양 전지 유닛에 관한 것이다. 본 발명은 또한 염료 감응형 태양 전지 유닛을 포함하는 전자 디바이스를 충전하기 위해 특별히 적응된 태양광 충전기에 관한 것이다.
태양 전지는 빛의 에너지를 전기로 변환하기 위해 오랜 시간 동안 사용되어 왔다. 태양 전지판은 전기를 발생시키는 에너지원으로서 햇빛을 흡수하는데 사용된다. 태양 전지판은 직렬로 연결된 다수의 태양 전지를 포함한다. 다수의 태양 전지판은 종종 전기 공급망으로 전기를 생성하기 위해 큰 솔라 파크 (solar park) 에 함께 배열된다.
태양 전지는 점점 더 효율적일 뿐아니라 제조에 더 저렴해지고 있다. 따라서, 자연적으로, 회사들은 태양 전지에 의해 적어도 부분적으로 전력이 공급되는 모든 종류의 소비자 제품들을 제조하고 있다. 많은 휴대용 전자 디바이스들은 오늘날 에너지를 저장하는 빌트-인 재충전가능한 배터리들, 및 그 배터리들을 충전하기 위해 그것들에 전력을 공급하도록 배열된 태양광 충전기들이 제공된다. 태양광 충전기 또는 솔라 차저 (solar charger) 는 디바이스에 전기를 공급하고 배터리를 충전하기 위해 태양 에너지를 채용한다. 그러한 휴대용 디바이스의 예는 태블릿, 이동 전화, 헤드폰 및 계산기이다. 태양 전지가 사용되는 경우, 디바이스의 배터리는 외부 소스로부터 디바이스를 충전할 필요가 있기 전에 사용 시간이 증가되도록 보완된다. 태양광 충전기의 효율 및 디바이스의 전력 소비에 따라, 외부 소스로 디바이스를 충전할 필요가 심지어 더 이상 없어지고, 디바이스는 단지 태양 전력에 의해 전력이 공급된다. 예를 들어, 소형 계산기는 종종 태양광 충전기에 의해서만 전력이 공급된다.
사장에 있는 태양광 충전기는 오늘날 7-15% 범위의 효율을 갖는 박막 패널로부터 최대 18% 의 효율을 제공하는 약간 더 효율적인 단결정 패널까지에 걸친 다양한 유형의 태양 전지판을 사용한다. 효율은 보통 태양 전지판이 테스트되는 조건들에 대한 산업 표준인 표준 시험 조건 (STC) 을 사용하여 테스트된다. STC 에서, 조사 (irradiation) 는 1000 W/?T 이고, 온도는 25 ℃ 이며, 에어 매스 (Air Mass) 는 1.5 이다. 예로서, 200 W/?T 의 출력 전력을 제공하는 태양 전지판은 20% 의 효율을 갖는다. 이들 조건들은 태양 전지판의 효율이 구름이 없는 여름날의 외부 조건에서 인 것을 시뮬레이팅한다. 실내 광의 파장 스펙트럼은 실외 광의 파장 스펙트럼과 상이하다. 예를 들어, 가시광 영역 외부의 파장은 종종 유리창이 UV 광을 필터링하기 때문에 실내 광에서 없어지고 실내등이 주로 가시광 영역에서의 광을 생성한다. 따라서, 외부 조건에서 측정된 태양 전지판의 효율은 내부 조건에 적용될 수 없다. 통상적인 인간의 눈은 약 390 내지 700 nm 의 파장에 반응할 것이고, 내부 광은 대부분 가시광 스펙트럼 내에 있다.
Georgia Apostolou 등에 의한 논문"Comparison of the indoor performance of 12 commercial PV products by a simple model"에서, 실내 조명이 외부 조명과 어떻게 다른지가 설명되어 있다. 그 논문의 저자는 이중 유리 단열창의 경우, 창문으로부터 1 및 5 m 에서의 복사 전력에서의 감소는 각각 대략 70% 및 97% 일 것이라고 진술한다. 그 논문은 태양 전지판은 오늘날 실내 조명에서 많은 효율을 잃는다는 것을 보여준다. 이리하여, 이들 태양 전지판의 단점은 그들이 낮은 광 강도에서 낮은 효율을 갖는다는 것이다.
전자 디바이스에 전력을 공급하기 위한 기존의 태양 전지 패널의 다른 단점은 그들의 일부가 유독성이고, 불량한 기계적 특성을 가지며, 비싸다는 점이다.
OnBeat 사에 의한 GB2510451(A) 는 태양 전지에 의해 전력이 공급되는 한 쌍의 헤드폰을 보여준다. 가요성 태양 전지판이 헤드폰의 외부 표면상에 그리고 이어피스들 (earpieces) 상에 제공된다. 그 헤드폰은 또한 저장된 태양 전력으로 외부 디바이스에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다. OnBeat 의 헤드밴드는 태양 전지의 패널에 의해 덮혀 있지만, 태양 전지의 유형은 특정되어 있지 않다는 것이 관찰자에게 시각적으로 명백하다.
소비자 제품에 전력을 공급하기 위한 태양 전지판에 대한 수요는 큰 솔라 파크에서 전기를 생산하기 위해 사용되는 고정식 태양 전지판에 비해 꽤 상이하다. 예를 들어, 소비자 제품에서의 태양 전지판은 더 강건하고, 유연하고, 충격에 저항할 수 있을 필요가 있다. 또한, 그것들은 다양한 광 조건들에서, 즉 실내 및 실외 양자 모두에서 전력을 생성할 수 있어야 한다. 태양 전지판의 상이한 부분들에 대한 광 조건들은 또한 태양 전지판의 효율을 감소시키는, 태양 전지판의 부분적 차광에 기인하여 상이할 수 있다. 태양 전지판들은 그것들이 사용자에게 가시적이기 때문에 심미적 호소를 가지는 것이 또한 바람직하다.
휴대용 전자 디바이스에 전력을 공급하기 위해 직렬로 연결된 복수의 태양 전지들을 포함하는 태양 전지판을 갖는 태양광 충전기의 다수의 예들이 존재한다. 그러나, 휴대용 전자 디바이스에 전력을 공급하는 기지의 태양 전지판들의 몇 가지 문제점들이 존재한다: 그것들은 광 강도 및 입사광의 각도에 매우 민감하다. 직렬로 연결된 태양 전지들을 갖는 태양 전지판은 하나의 태양 전지가 전류를 생성하고 있지 않는 경우, 태양 전지들의 전체가 전기를 생산하는 것을 중지할 것이기 때문에 부분적 차광에 민감하다. 그것들은 꽤 민감하고 쉽게 파손된다. 예를 들어, 결정성 실리콘 태양 전지는 깨지기 쉽고 휴대용 전자 디바이스에서 사용될 때 부서질 수도 있다. 더욱이, 사용자는 제품의 대부분이 상부 측면에 가시적 집전기들의 그리드를 갖는 태양 전지판들에 의해 덮이는 미학에 동의하지 않을 수도 있다. 따라서, 휴대용 전자 디바이스와 함께 사용하기 위한 태양광 충전기를 개선할 필요가 있다.
WO2013/149787 은 서로 인접하여 배열되고 직렬로 연결된 복수의 염료 감응형 태양 전지 유닛들을 포함하는 직렬 구조를 갖는 염료 감응형 태양 전지 모듈을 개시한다. 각각의 전지 유닛은 작동 전극, 작동 전극으로부터 광 발생 전자를 추출하기 위한 제 1 도전층, 제 2 도전층을 포함하는 카운터 전극, 카운터 전극으로부터 작동 전극으로 전자를 수송하기 위한 전해질, 및 카운터 전극을 인접 전지 유닛의 작동 전극에 전기적으로 연결하기 위한 직렬 연결 엘리먼트를 포함한다. 태양 전지 모듈은 다공성 절연 기판을 포함하며, 제 1 도전층은 다공성 절연 기판의 일측에 형성된 다공성 도전층이고, 제 2 도전층은 다공성 절연 기판의 반대측에 형성된 다공성 도전층이고, 직렬 연결 엘리먼트는 다공성 절연 기판을 관통하고 전지 유닛 중 하나의 제 1 도전층과 인접 전지 유닛의 제 2 도전층 사이에 연장되어, 전지 유닛 중 하나의 제 1 도전층을 인접 전지 유닛의 제 2 도전층과 전기적으로 연결하는 도전층이다.
WO2014/184379 는 다공성 절연 기판 내의 절연 재료를 통하여 도전성 망을 형성하는 도전성 입자들을 갖는 염료 감응형 태양 전지를 개시한다. 그 입자들은 절연 기판의 절연 재료를 통해 하나 이상의 전기 전도성 경로를 형성한다. 도전성 입자들은 또한 촉매일 수 있다. 절연 기판 내의 도전성 망에 기인하여, 카운터 전극과 광 흡수층 사이의 거리가 더 이상 다공성 기판의 두께에 의존하지 않는다. 따라서, 절연 부분의 두께가 감소될 수 있고, 그것에 의해 카운터 전극과 광 흡수층 사이의 거리는 감소될 수 있다. 이에 따라, 도전성 매체에서의 저항 손실이 감소된다. 카운터 전극과 광 흡수층 사이의 거리가 더 이상 전체 다공성 기판의 두께가 아니라 절연 부분에만 의존한다는 사실에 기인하여, 안전한 기계적 핸들링을 위해 충분한 두께인 기판을 사용하는 것이 또한 가능하다.
본 발명의 목적은 상기의 문제들을 적어도 부분적으로 극복하는 것이고, 소비자 애플리케이션에 대한 전자 디바이스를 충전하기 위해, 및 특히 전자 디바이스의 재충전가능한 배터리를 충전하기 위해 적합한 개선된 염료 감응형 태양 전지 및 태양광 충전기를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1 에 정의된 염료 감응형 태양 전지에 의해 달성된다.
염료 감응형 태양 전지 유닛은,
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다공성 광 흡수층을 포함하는 작동 전극,
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광 흡수층으로부터 광 발생 전자를 추출하기 위한 도전성 재료를 포함하는 다공성 제 1 도전층으로서, 광 흡수층은 제 1 도전층의 상부에 배열되는, 상기 다공성 제 1 도전층,
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절연 재료로 제조되는 다공성 절연층으로서, 제 1 도전층이 다공성 절연층의 일측상에 형성되는, 상기 다공성 절연층,
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다공성 절연층의 반대측 상에 형성된 다공성 촉매 도전층을 포함하는 카운터 전극, 및
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카운터 전극으로부터 작동 전극으로 전자를 수송하기 위한 그리고 다공성 제 1 도전층, 다공성 촉매 도전층, 및 다공성 절연층의 구멍들에 배열되는 이온 기반 전해질로서, 제 1 도전층은 도전성 재료의 표면 상에 형성된 절연 산화물 층을 포함하고, 다공성 촉매 도전층은 도전성 재료로부터 전해질까지 전자의 수송을 향상시키기 위해 도전성 재료 및 그 도전성 재료에 분포된 촉매 입자들을 포함하는, 상기 이온 기반 전해질을 포함한다.
이온 기반 전해질은 전자를 위한 캐리어로서 이온을 포함하는 전해질을 의미한다. 이온 기반 전해질을 사용하는 것의 이점은 그것이 태양 전지 성능에 높은 장기 안정성을 제공할 수 있다는 것이다. 다른 이점은 태양 전지 유닛의 효율이 안정하거나 온도가 증가함에 따라 증가한다는 것이다. 이에 따라, 태양 전지 유닛은 광범위한 온도에서 잘 동작한다.
전해질은 광 흡수층, 제 1 도전층, 촉매 도전층, 및 다공성 절연층의 구멍 내에 배치된다. 전해질은 카운터 전극으로부터 작동 전극의 광 흡수층으로 전자를 수송하는 이온을 포함한다. 절연 산화물 층은 제 1 도전층의 도전성 재료 상에 전기 절연층을 제공하며, 그 산화물 층은 그 도전성 재료와 제 1 도전층의 구멍 내에 배치된 전해질 사이의 전자의 수송을 적어도 부분적으로 방해한다. 이에 따라, 더 많은 전자가 광 흡수층에 도달하고 그것에 의해 태양 전지 유닛의 효율이 증가한다.
촉매 입자는 촉매 도전층의 도전성 재료와 상이한 재료로 제조된다. 촉매 입자는 촉매로서 작용하고 도전성 재료로부터 촉매 도전성 재료의 구멍 내의 전해질로의 전자의 수송을 촉진한다. 촉매 도전층의 도전성 재료는 본질적으로 비촉매이며, 즉 단지 중요하지 않은 측매 반응만 기껏해야 도전성 재료에서 발생할 수 있다. 전자는 촉매 도전층 내의 전해질 내의 이온에 의해 얻어진다. 도전성 재료 내에 촉매 입자를 분포시킴으로써, 도전성 재료로부터의 전자의 수송이 향상되고 이에 따라 태양 전지 유닛의 효율이 증가된다. 또한, 작동 전극에 가능한 한 가깝게 촉매 입자를 위치시킴으로써, 전해질 내의 이온이 작동 전극에 도달하기 위해 이동해야 하는 거리가 감소된다. 따라서, 작동 전극과 카운터 전극 사이의 유효 거리가 감소하고, 이에 따라 전해질 내의 저항 손실이 감소되어 태양 전지 유닛의 더 높은 효율을 야기한다. 감소된 거리로 달성되는 추가의 이점은 그것이 이온성 액체 전해질과 같은 낮은 전기 전도성을 갖는 도전성 매체의 사용을 가능하게 한다는 점이다.
전자가 도전성 재료로부터 제 1 도전층의 구멍 내의 전해질로 누설하는 것을 방지하는 절연 산화물층, 및 카운터 전극에서 전해질로의 전자의 수송을 향상시키는 도전성 재료 내에 분포된 촉매 입자를 포함하는 촉매 도전층을 포함하는 카운터 전극의 조합은 효율적인 태양 전지 유닛을 야기할 것이다.
또한, 태양 전지 유닛의 제조 동안, 공기 중의 태양 전지 유닛의 열 처리는 제 1 도전층의 도전성 재료 상에 뿐아니라 촉매 도전층의 도전성 재료 상에 산화물 층을 야기할 것이다. 촉매 도전층의 도전성 재료 상의 산화물 층은 전자가 도전성 재료로부터 촉매 도전층의 구멍 내에 배치된 전해질로 수송되는 것을 방지하리라고 가정될 수 있다. 놀랍게도, 도전성 재료 내에 분포된, 백금화 탄소 (platinized carbon) 입자와 같은 촉매 입자가 도전성 재료 상의 산화물 층에도 불구하고 도전성 재료로부터 전해질로의 전자의 수송을 가능하게 한다는 것이 발견되었다.
촉매 도전층은 도전성일 뿐아니라 촉매적이다. 전해질은 전체 촉매 도전층의 구멍에 또는 촉매 도전층의 상부 부분 만에 배열될 수 있다.
일 양태에서, 카운터 전극은 촉매 도전층과 전기 접촉하는 도전성 재료를 포함하는 제 2 도전층을 포함하며, 여기서 제 2 도전층은 본질적으로 비촉매이고, 다공성 촉매 도전층은 다공성 절연층과 제 2 도전층 사이에 배치된다.
이러한 양태에서, 염료 감응형 태양 전지 유닛은,
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다공성 광 흡수층을 포함하는 작동 전극,
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광 흡수층으로부터 광 발생 전자를 추출하기 위한 도전성 재료를 포함하는 제 1 도전층으로서, 광 흡수층은 제 1 도전층의 상부에 배열되는, 상기 제 1 도전층,
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절연 재료로 제조된 다공성 절연층으로서, 제 1 도전층은 다공성 절연층의 일측 상에 형성되는, 상기 다공성 절연층,
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카운터 전극으로서,
i.
도전성 재료를 포함하는 제 2 도전층, 및
ii.
다공성 절연층과 제 2 도전층 사이에 배치되고 제 2 도전층과 전기 접촉하는 다공성 촉매 도전층
을 포함하는, 상기 카운터 전극,
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카운터 전극으로부터 작동 전극으로 전자를 수송하기 위한, 제 1 도전층, 촉매 도전층, 및 다공성 절연층의 구멍들에 배열된 이온 기반 전해질로서, 제 1 도전층은 도전성 재료의 표면 상에 형성된 절연 산화물 층을 포함하고, 제 2 도전층은 본질적으로 비촉매이고, 촉매 도전층은 도전성 재료 및 그 도전성 재료에 분포되어 전해질로의 전자의 수송을 향상시키는 촉매 입자들을 포함하는, 상기 이온 기반 전해질을 포함한다.
제 2 도전층은 도전성 재료로 제조된다. 제 2 도전층은 다공성이거나 비다공성일 수 있다. 바람직하게는, 제 2 도전층은 촉매 입자를 배제한다. 제 2 도전층은 그 자체가 본질적으로 비촉매이며, 즉 단지 중요하지 않은 촉매 반응만 기껏해야 제 2 도전층에서 발생할 수도 있다. 제 2 도전층은 작은 양의 촉매 재료를 포함할 수도 있다. 그러나, 촉매 반응은 촉매 도전층에 집중된다. 전자는 작동 전극까지의 그것의 더 짧은 거리에 기인하여 촉매 도전층에서 전해질로 수송되는 것이 바람직하다.
제 2 도전층이 본질적으로 비촉매인 사실에 기인하여, 제 2 도전층의 전기 전도성은 촉매 도전층의 전기 전도성보다 더 높을 수 있다. 따라서, 촉매 입자를 포함하는 촉매 도전층, 및 본질적으로 비촉매인 제 2 도전층의 조합은 카운터 전극으로부터 전해질로의 전자의 효율적인 수송을 야기할 뿐아니라 카운터 전극의 높은 전기 전도성을 제공할 것이다. 또한, 제 2 도전층이 본질적으로 비촉매라는 사실에 기인하여, 전자가 제 2 도전층 내의 전해질로 수송되는 것이 더 어렵다.
태양 전지 유닛이 사용 중인 경우, 제 2 도전층은 외부 회로로부터 전자를 수용하고 그 전자를 촉매 도전층으로 분배한다. 촉매 입자는 촉매로서 작용하고 촉매 도전층의 구멍 내의 전해질로의 제 2 도전층으로부터 수용된 전자의 수송을 촉진한다. 촉매 입자를 작동 전극에 가능한 한 가깝게 위치시킴으로써, 전해질 내의 이온이 작동 전극에 도달하기 위해 이동해야 하는 거리가 감소된다. 이에 따라, 태양 전지 유닛에서의 전력 손실이 감소되고, 따라서 태양 전지 유닛의 효율이 더 증가된다. 제 2 도전층은 촉매 도전층으로의 전자의 효율적인 분배를 보장한다.
특히, 전자가 도전성 재료로부터 제 1 도전층의 구멍 내의 전해질로 누설하는 것을 방지하는 절연 산화물 층, 및 촉매 도전층 및 카운터 전극의 효율을 향상시키는 비촉매 제 2 도전층을 포함하는 카운터 전극의 조합은 넓은 범위의 상이한 광 조건들에서 전력을 생성할 수 있는 효율적인 태양 전지 유닛을 야기할 것이다. 그 태양 전지 유닛은 열악한 조명 조건 뿐아니라 유수한 조명 조건 동안, 예를 들어 인공적인 빛에서의 실내에서, 및 그늘에서 및 강한 햇빛에 노출될 때의 실외에서 작동한다.
일 양태에서, 제 2 도전층의 도전성 재료는 티타늄 또는 그것의 합금이다. 일 양태에서, 제 1 및 제 2 도전층은 티타늄 또는 그것의 합금을 포함한다. 티타늄은 고도로 내부식성이고 고온에 저항할 수 있으며, 이는 태양 전지 유닛의 제조 동안 이롭기 때문에 티타늄을 사용하는 것이 이롭다.
촉매 입자는 촉매 재료, 예를 들어 그래핀 또는 그라파이트 또는 카본 블랙 또는 탄소 나노튜브와 같은 탄소 기반 재료, 백금 또는 이들의 조합으로 제조된다. 촉매 입자는 전기 전도성일 뿐아니라 촉매성일 수 있다. 일 양태에서, 촉매 입자의 전기 전도성은 제 2 도전층의 도전성보다 낮다.
예를 들어, 전해질은 이온성 액체 전해질이다.
일 양태에서, 촉매 입자는 촉매 도전층에 실질적으로 균일하게 분포된다. 용어 “실질적으로 균일하게 분포된” 은 촉매 입자가 촉매 도전층의 전체 영역에 걸쳐 분포되는 것을 의미한다. 따라서, 촉매 입자는 촉매 도전층의 한 부분 또는 소수의 부분들 만에 집중되지 않는다. 비록, 촉매 입자의 집중이 촉매 도전층의 영역에 걸쳐 변할 수도 있지만, 임의의 촉매 입자가 없는 큰 영역은 없다. 전해질은 다공성 촉매 도전층의 구멍에 채워진다. 촉매 입자를 촉매 도전층에 실질적으로 균일하게 분포시킴으로써, 촉매 도전층의 도전성 재료로부터 전해질로의 전자의 수송이 촉매 도전층의 전체 영역에 걸쳐 달성되고, 이에 따라 도전성 입자로부터 전해질로의 전자의 수송이 향상된다.
일 양태에서, 다공성 촉매 도전층의 도전성 재료는 다공성 매트릭스를 형성하고 촉매 입자는 그 다공성 매트릭스 내에 분포된다. 다공성 매트릭스는 다공성 층을 통해 도전 경로를 형성하는 상호 연결된 도전성 입자의 망을 포함하는 다공성 층을 의미한다. 바람직하게는, 촉매 입자는 다공성 매트릭스 내에 실질적으로 균일하게 분포된다. 촉매 입자는 다공성 매트릭스 내에 임베딩된다. 예를 들어, 다공성 매트릭스는 소결된 도전성 입자의 층이고 촉매 입자는 도전성 입자들 사이에 배치된다. 다공성 매트릭스는 촉매 입자들을 하우징하고 그것들을 제 위치에 유지한다. 다공성 매트릭스는 촉매 입자들 사이에 접착제로서 작용할 수 있고 그것들을 제 위치에 고정한다.
일 양태에서, 제 1 도전층의 도전성 재료는 다공성 티타늄이고, 절연 산화물층은 그 다공성 티타늄의 표면 상에 형성된 산화티타늄이다. 제 1 도전층은 다공성 티타늄의 표면상에 형성되고 다공성 티타늄의 표면을 덮는 산화티타늄 층을 포함한다. 산화티타늄 층은 전자가 제 1 도전층의 다공성 티타늄으로부터 제 1 도전층의 구멍 내의 전해질로 누설하는 것을 방지하고, 이에 따라 태양 전지 유닛의 효율을 증가시킨다. 일 양태에서, 다공성 티타늄은 소결된 티타늄 입자를 포함하고, 소결된 티타늄 입자의 표면은 산화티타늄 층으로 덮힌다.
일 양태에서, 촉매 도전층은 1 - 50 중량% 사이의 촉매 입자를 포함한다. 도전성 재료로부터 전해질로의 전자의 효율적인 수송을 달성하기 위해 필요한 촉매 입자의 중량% 는 촉매 입자의 크기 및 형상 및 촉매 입자의 재료의 유형 및 도전성 재료의 유형에 의존한다.
다른 양태에서, 촉매 도전층은 1 - 30 중량% 사이의 촉매 입자를 포함한다. 이러한 범위는 예를 들어 도전성 입자가 티타늄으로 이루어지고 촉매 입자가 백금화 탄소로 이루어지는 경우 적합하다. 그러나, 전술된 바와 같이, 촉매 입자의 중량% 는 촉매 입자의 크기에 의존한다.
일 양태에서, 촉매 도전층은 적어도 1 중량% 사이의 촉매 입자를 포함한다. 일 양태에서, 촉매 도전층은 적어도 5 중량% 사이의 촉매 입자를 포함한다. 일 양태에서, 촉매 도전층은 적어도 10 중량% 사이의 촉매 입자를 포함한다.
일 양태에서, 촉매 도전층은 적어도 50 중량% 초과의 도전 재료, 및 50 중량% 미만의 촉매 입자를 포함한다.
용어 “NN 중량%” 는 입자가 도전성 입자 및 촉매 입자의 총 중량의 NN% 라는 것을 의미한다. 촉매 입자/도전성 입자의 실제의 중량% 는 촉매 입자와 도전성 입자 사이의 크기의 차이, 및 촉매 및 도전성 입자들의 재료의 유형에 의존한다.
촉매 도전층의 도전성 재료는 예를 들어 금속, 금속 합금, 금속 산화물, 또는 다른 도전성 재료, 예를 들어 티타늄, 티타늄 합금, 니켈, 또는 니켈 합금, 인듐 또는 산화인듐이다.
일 양태에서, 촉매 도전층의 도전성 재료는 티타늄이다. 예를 들어, 촉매 도전층의 도전성 재료는 소결된 티타늄 입자를 포함한다.
일 양태에서, 촉매 입자는 탄소를 포함한다. 탄소는 촉매 재료이다. 탄소는 저가이고 환경 친화적이다.
일 양태에서, 촉매 입자는 백금화 탄소 입자를 포함한다. 백금은 탄소보다 더 양호한 촉매이지만, 고가이다. 백금 및 탄소의 조합을 사용함으로써, 양호한 촉매가 낮은 비용으로 달성된다.
일 양태에서, 촉매 도전층의 도전 재료는 타타늄이고, 촉매 입자는 백금화 탄소 입자이다. 용어 “백금화 탄소 입자” 는 백금의 층으로 덮힌 탄소의 코어를 갖는 입자를 의미한다. 백금은 양호한 촉매이다. 그러나, 백금의 문제는 티타늄에 부탁하는 것이 어렵다는 것이다. 백금은 탄소에 쉽게 부착될 수 있다. 그러나, 탄소의 문제는 불량한 기계적 강도를 가지고 있다는 것이다. 이들 문제들은 티타늄 매트릭스에 백금화 탄소 입자를 분포시킴으로써 해결된다. 티타늄은 양호한 기계적 강도를 갖고 백금화 탄소 입자들을 촉매 도전층에서 그들의 위치에 유지시킨다. 따라서, 탄소, 백금 및 티타늄은 함께 높은 기계적 강도 및 전자를 전해질로 수송하는 높은 능력을 갖는 촉매 도전층을 제공한다.
일 양태에서, 촉매 도전층은 50 과 90 중량% 사이의 티타늄을 포함한다. 일 양태에서, 촉매 도전층은 적어도 5 중량% 의 탄소를 포함하고, 바람직하게는 적어도 10 중량% 의 탄소를 포함한다. 일 양태에서, 촉매 도전층은 적어도 0.001 중량% 의 백금을 포함한다.
일 양태에서, 촉매 도전층은 도전성 입자 및 촉매 입자의 혼합물을 포함한다. 도전성 입자는 제 2 도전층과 전기 접촉한다. 촉매 입자는 도전성 입자로부터 전해질로의 전자의 수송을 향상시키기 위해 도전성 입자와 혼합된다. 도전성 입자는 도전성 재료로 제조된다. 바람직하게는, 도전성 입자는 비촉매이고 촉매 재료를 배제한다. 도전성 입자 및 촉매 입자의 혼합물은 촉매 도전층으로부터 전해질로의 전자의 효율적인 수송을 야기할 것이다. 촉매 입자는 도전성 입자 사이에 분포된다. 도전성 입자들은 촉매 입자들을 하우징하고 그것들을 제 위치에 유지하는 매트릭스를 형성할 수 있다.
일 양태에서, 촉매 입자는 도전성 입자 사이에 실질적으로 균일하게 분포된다. 촉매 입자를 촉매 도전층에 실질적으로 균일하게 분포시킴으로써, 도전성 입자로부터 전해질로의 전자의 수송이 향상된다.
일 양태에서, 도전성 입자는 예를 들어 소결에 의해 서로 부착된다. 도전성 입자는 촉매 입자를 하우징하는 매트릭스를 형성할 수 있다. 촉매 입자는 도전성 입자의 매트릭스에 임베딩된다. 예를 들어, 촉매 도전층은 소결된 도전성 입자, 및 그 도전성 입자 사이에 배치된 촉매 입자를 포함한다. 도전성 입자는 촉매 입자 사이에 접착제로서 작용하고 촉매 입자를 도전성 입자 사이의 위치들에 유지한다.
일 양태에서, 도전성 입자의 크기는 촉매 입자이 크기보다 더 크다. 촉매 재료가 도전성 재료보다 더 비싼 경우, 비용을 절감하기 위해 촉매 입자의 크기가 도전성 입자의 크기보다 더 작은 것이 이롭다.
일 양태에서, 적어도 80% 의 촉매 입자는 50 nm 미만의 직경을 갖는다. 그러한 작은 입자는 큰 표면/체적 비를 갖고 촉매 재료의 감소된 체적과 함께 효율적인 촉매효과를 제공할 것이다. 촉매 재료가 백금인 경우, 이것은 촉매 재료에 대한 비용을 감소시킬 것이다.
일 양태에서, 적어도 80% 의 도전성 입자는 100 nm 보다 큰 직경을 갖는다. 바람직하게는, 도전성 입자의 크기는 0.1 - 15 ㎛ 사이이다.
일 양태에서, 촉매 도전층은 티타늄 입자 및 백금화 탄소 입자의 혼합물을 포함한다. 바람직하게는, 티타늄 입자는 예를 들어 소결에 의해 서로 부착된다.
일 양태에서, 다공성 촉매 도전층에서의 도전성 재료는 제 2 도전층에서 사용되는 것과 동일한 재료이다.
일 양태에서, 촉매 도전층의 두께는 100 ㎛ 미만이고, 바람직하게는 20 ㎛ 미만이다. 일 양태에서, 촉매 도전층의 두께는 적어도 1 ㎛, 바람직하게는 적어도 5 ㎛ 및 가장 바람직하게는 적어도 10 ㎛ 이다.
일 양태에서, 제 2 도전층의 두께는 적어도 1 ㎛, 바람직하게는 적어도 10 ㎛ 및 바람직하게는 적어도 20 ㎛ 이다.
제 1 도전층의 두께는 이롭게는 또한 광 흡수층 및 촉매 도전층 및 카운터 전극 사이에 짧은 거리를 갖도록 얇게 유지된다. 제 1 도전층의 두께는 0.1 과 40 ㎛ 사이 및 바람직하게는 0.3 과 20 ㎛ 사이일 수 있다.
일 양태에서, 다공성 절연층은 절연 재료로 제조된 다공성 기판을 포함한다.
일 양태에서, 다공성 촉매 도전층은 절연 재료로 제조된 다공성 기판을 포함하고, 촉매 도전층의 도전성 입자는 다공성 기판의 절연 재료를 통해 도전성 망을 형성한다. 도전성 입자 및 촉매 입자는 다공성 기판의 구멍에 배치된다. 도전성 망은 다공성 기판으로 연장되는 카운터 전극의 연장부를 제공한다.
용어 “도전성 입자는 절연 재료를 통해 도전성 망을 형성한다” 는 그 입자가 다공성 기판의 절연 재료를 통해 하나 이상의 전기 전도성 경로를 형성한다는 것을 의미한다.
일 양태에서, 염료 감응형 태양 전지 유닛은 절연 재료로 제조된 다공성 기판을 포함하고, 다공성 절연층은 다공성 기판의 제 1 부분이고 촉매 도전층의 도전성 입자는 다공성 기판의 제 2 부분을 통해 도전성 망을 형성한다. 다공성 기판의 도전성 망에 기인하여, 카운터 전극과 광 흡수층 사이의 거리는 더 이상 다공성 기판의 두께에 의존하지 않는다. 따라서, 절연층의 두께가 감소될 수 있고, 그것에 의해 카운터 전극과 광 흡수층 사이의 거리가 감소될 수 있다.
다공성 절연층은 제 1 도전층과 촉매 도전층 사이의 단락을 방지한다. 촉매 도전층의 도전성 입자는 기판의 절연 재료를 통해 도전성 망을 형성한다. 도전성 망은 카운터 전극의 제 2 도전층과 전기 접촉하고 따라서 카운터 전극의 도전성 표면적을 상당히 증가시킬 것이다.
일 양태에서, 전해질은 요오드화물/트리요오드화물 전해질, 구리 착물 기반 전해질, 또는 코발트 착물 기반 전해질, 또는 이들의 조합 중 임의의 것이다.
일 양태에서, 도전성 매체는 요오드화물 (I-) 및 트리요오드화물 (I3 -) 을 포함하고 도전성 매체 내의 트리요오드화물의 함량은 1 mM 과 20 mM 사이이다. 이러한 실시형태는 낮은 광 강도에서 높은 전력 발생을 달성하는 것을 가능하게 한다.
일 양태에서, 다공성 기판은 전체 태양 전지 유닛을 통해 연장되는 직조된 마이크로섬유를 포함하는 시트이다. 예를 들어, 직조된 마이크로섬유는 유리 섬유로 제조된다. 전체 태양 전지 유닛을 통해 연장되는 직조된 마이크로섬유를 포함하는 시트는 유연하고, 트위스트가능하며, 및 내충격성 태양광 충전기를 제공하는데 기여한다.
일 양태에서, 다공성 광 흡수층은 염색된 TiO2 를 포함한다. 염색된 TiO2 를 포함하는 다공성 광 흡수층은 부서지기 쉽지 않고 (non-brittle) 입사광의 각도에 의존적이지 않다.
일 양태에서, 광 흡수층은 흡착된 유기 염료를 갖는 다공성 TiO2 나노입자 층이다. 유기 염료의 예는 N719, N907, B11, C101 이다. 또한, 다른 유기 염료가 사용될 수 있다.
일 양태에서, 태양 전지 유닛은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 200 룩스인 경우 적어도 5 ㎼/㎠ 를, 그리고 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 20000 룩스인 경우 적어도 600 ㎼/㎠ 를 생성한다. 태양 전지 유닛은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 200 룩스인 경우 활성 태양 전지 영역 상에서 측정된 5 ㎼/㎠ 이상을 생성한다. 본 발명에 따른 태양 전지 유닛은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 200 룩스인 경우 5 ㎼/㎠ 이상을 생성할 수 있다는 것이 테스트를 통해 증명되었다. 룩스는 인간 눈에 의해 감지되는 광의 강도를 측정하기 때문에 광 강도를 측정하기에 적합한 단위이다. 룩스는 대부분 인간 눈에 가시적인 전자기 스펙트럼의 부분 내에 있는 실내 광의 강도를 측정하는데 통상 사용된다. 이에 따라, 태양 전지 유닛의 효율을 룩스로 측정된 광 강도에 관련시키는 것은 적절하다.
일 양태에서, 태양 전지 유닛은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 200 룩스인 경우 5.5 ㎼/㎠ 이상을 생성한다. 본 발명에 따른 태양 전지 유닛은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 200 룩스인 경우 5.5 ㎼/㎠ 이상을 생성할 수 있다는 것이 테스트를 통해 증명되었다.
일 양태에서, 태양 전지 유닛은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 5000 룩스인 경우 적어도 150 ㎼/㎠ 를 생성한다.
일 양태에서, 태양 전지 유닛은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 20000 룩스인 경우 적어도 600 ㎼/㎠, 바람직하게는 적어도 700 ㎼/㎠ 을 생성한다. 특히, 태양 전지 유닛은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 200 과 20000 룩스 사이인 경우 적어도 5 와 600 ㎼/㎠ 사이를 생성할 수 있다. 태양 전지 유닛에 의해 생성되는 전력은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 200 으로부터 20000 룩스까지 증가하는 경우 실질적으로 선형으로 증가한다. 따라서, 태양 전지 유닛은 넓은 범위의 상이한 광 조건들에서 전력을 생성할 수 있다. 태양 전지 유닛은 열악한 조명 조건 뿐아니라 우수한 조명 조건 동안, 예를 들어 인공적인 광에서 실내에서, 그림자 내에서 및 강한 햇?뼁? 노출되는 경우의 실외에서 작동한다.
실질적으로 선형이라는 것은 생성되는 전력이 적어도 구간 200 과 20000 룩스의 주요 부분에서 광 강도가 증가함에 따라 선형으로 증가하는 것을 의미한다. 예를 들어, 생성되는 전력은 200 과 1000 룩스 사이의 강도와 함께 선형으로부터 약간 상이할 수도 있다.
일 양태에서, 태양 전지 유닛은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 200 과 50000 룩스 사이에서 변하는 경우, 40 % 미만 변하는 전압을 발생시킨다. 예를 들어, 태양 전지 유닛은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 200 과 50000 룩스 사이에서 변하는 경우, 0.4 V 미만, 바람직하게는 0.3 V 미만 변하는 전압을 발생시킨다. 태양 전지 유닛에 의해 발생되는 전압은 구간 200 내지 50000 룩스에서 꽤 균일하다. 이것은 생성되는 전압이 광 강도에 꽤 독립적이라는 것을 의미한다. 태양 전지 유닛으로부터의 전압 출력은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 200 과 50000 룩스 사이에서 변하는 경우 약간만 변한다는 사실에 기인하여, 변환 동안 대대적 손실 없이 넓은 범위의 상이한 광 강도들에 대해 전압을 증가시키기 위해 부스트 컨버터를 사용하는 것이 가능하다.
생성된 전압의 레벨은 전해질 내의 이온에 의존한다. 예를 들어, 전해질이 구리 이온을 포함하는 경우, 태양 전지 유닛은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 20000 룩스일 때 개방 회로에서 약 1 V 의 전압을 생성할 수 있고, 전해질이 요오드화물 및 트리요오드화물 이온을 포함하는 경우, 태양 전지 유닛은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 20000 룩스일 때 개방 회로에서 0.65 V 의 전압을 생성할 수 있다.
일 양태에서, 태양 전지 유닛은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 200 룩스일 때 개방 회로에서 적어도 0.3 V 의 전압을 생성한다.
또한, 태양 전지 유닛은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 20000 룩스일 때 개방 회로에서 적어도 1.2 V 미만의 전압을 생성한다.
일 양태에서, 태양 전지 유닛에 의해 생성되는 전류는 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 200 으로부터 20000 룩스까지 증가할 때 선형적으로 증가한다.
일 양태에서, 태양 전지 유닛은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 200 룩스일 때 적어도 15 ㎂/㎠ 의 전류를 생성하고, 태양 전지 유닛에 의해 생성되는 전류는 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 200 으로부터 20000 룩스까지 증가할 때 선형적으로 증가한다. 선형성, 및 태양 전지 유닛이 광 강도가 제로일 때 전류를 생성하지 않고 광 강도가 200 룩스일 때 적어도 15 ㎂/㎠ 의 전류를 생성한다는 사실에 기인하여, 태양 전지 유닛은 광 흡수층에 의해 수신된 광 강도가 20000 룩스일 때 약 1500 ㎂/㎠ 의 전류를 생성한다. 따라서, 태양 전지 유닛은 넓은 범위의 광 강도에서 전자 디바이스의 배터리를 충전하기에 충분한 전력을 생성할 수 있다.
태양 전지 유닛은 바람직하게는 모노리딕 염료 감응형 태양 전지이다. 모노리딕 염료 감응형 태양 전지는 모든 층들이 하나의 동일한 다공성 기판 상에 직접 또는 간접으로 증착되는 것을 특징으로 한다.
제 1 및 제 2 도전층은 광 흡수층의 섀도우 측, 즉 광을 수광하는 측의 반대측에 위치된다. 따라서, 제 1 및 제 2 도전층은 광 흡수층의 동일한 측면상에 위치된다.
본 발명의 다른 목적은 전자 디바이스를 충전하기 위해 특별히 적응된 태양광 충전기를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 본 발명에 따른 염료 감응형 태양 전지 유닛, 그 태양 전지 유닛을 캡슐화하는 봉지부 (encapsulation), 제 1 도전층에 전기적으로 연결된 제 1 도체, 및 제 2 도전층에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제 2 도체를 포함하는 태양광 충전기에 의해 달성되며, 여기서 그 태양광 충전기는 단지 하나의 단일의 태양 전지 셀 및 제 1 및 제 2 도체에 전기적으로 연결된 부스트 컨버터를 포함하고, 부스트 컨버터는 태양 전지 유닛으로부터의 전류를 하강시키는 동안 태양 전지 유닛으로부터의 전압을 상승시키도록 적응된다.
본 발명에 따른 태양광 충전기는 광 조건이 매우 열악할 때 디바이스를 충전할 수 있다. 예를 들어, 태양광 충전기는 유일한 광원이 램프일 때 전자 디바이스를 충전할 수 있다. 이것은 밤에 실내에서 전자 디바이스를 충전하는 것을 가능하게 한다.
더욱이, 태양광 충전기는 단지 하나의 단일의 태양 전지 유닛을 가지므로, 부분적 셰이딩 (shading) 의 문제가 없다. 비록 태양 전지 유닛의 표면의 부분들이 셰이딩되더라도, 비 셰이딩된 부분들이 여전히 전류를 생성할 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 태양광 충전기는 태양광 충전기의 활성 영역이 부분적으로 셰이딩되는 경우에도 전자 디바이스를 여전히 충전할 수 있다. 활성 영역은 그것이 광에 노출될 때 전력을 생성하는데 기여하는, 태양 전지 유닛의 영역을 의미한다.
제 1 도체는 집전기로서 작용하고 제 1 도전층으로부터의 전류를 수집한다. 제 2 도체는 배전기 (current distributor) 로서 작용하고 제 2 도전층으로 전류를 분배한다. 태양광 충전기는 휴대용 전자 디바이스의 임의의 형상 또는 크기에 적응될 수 있는 하나의 단일의 확장가능한 태양 전지를 갖는다. 태양광 충전기의 가시적 측면에 걸쳐 배열되는 복수의 집전기에 대한 필요가 없고, 가시적 집전기들의 부재는 시각적으로 동질적인 표면을 야기한다. 따라서, 태양광 충전기는 디바이스의 설계에 영향을 미치지 않고 휴대용 전자 디바이스에서 사용될 수 있다. 즉, 휴대용 전자 디바이스는 그것이 관찰자에게 가시적이지 않고 태양광 충전기에 의해 전력이 공급될 수 있다. 태양 전지 유닛의 표면 위에 배열되는 다수의 연결 엘리먼트들을 갖지 않는 다른 이점은 입사하는 광을 차단하는 복수의 집전기들이 존재하지 않기 때문에 태양 전지 유닛의 더 많은 영역이 전력을 생성하기 위해 사용될 수 있다는 점이다.
태양광 충전기의 다른 이점들은 낮은 비용, 내충격성, 유연성, 및 입사광의 각도에 대한 독립성을 포함한다.
또, 단일의 태양 전지 유닛의 크기는 확장가능하고, 이에 따라 태양광 충전기의 크기 및 전력은 충전될 상이한 디바이스들의 크기 및 전력 수요에 적응될 수 있다. 태양 전지 유닛의 면적을 증가시킴으로써, 태양광 충전기에 의해 생성되는 전력이 증가된다.
태양광 충전기는 제 1 및 제 2 도체들에 전기적으로 연결된 부스트 컨버터를 포함하고, 그 부스트 컨버터는 태양 전지 유닛으로부터의 전류를 하강시키는 동안 태양 전지 유닛으로부터의 전압을 상승시키도록 적응된다. 따라서, 태양광 충전기는 넓은 범위의 상이한 광 조건들에서 전자 디바이스를 충전하기 위한 충분한 전압 레벨을 생성할 수 있다. 상이한 유형의 배터리는 상이한 전압 레벨을 요구한다. 부스트 컨버터는 배터리의 유형에 의해 요구되는 전압 레벨을 갖는 전자 디바이스의 재충전가능한 배터리를 제공하는 것을 가능하게 한다. 단일의 태양 전지 유닛에 의해 생성되는 전압은 너무 낮아서 특정의 유형의 배터리, 예를 들어 약 3.6 V 를 요구하는 리튬 배터리를 충전할 수 없다. 종래의 기술에서, 요구된 전압은 직렬로 연결된 복수의 태양 전지 유닛들을 배열함으로써 달성된다. 본 발명에 따르면, 요구된 전압은 단일의 태양 전지 유닛에 부스트 컨버터를 연결함으로써 달성된다. 따라서, 상이한 전압 레벨들을 요구하는 배터리들을 충전할 수 있는 단 하나의 태양 전지 유닛만을 갖는 태양광 충전기를 제공하는 것이 가능하다.
일 양태에서, 부스트 컨버터는 태양 전지 유닛으로부터의 전압을 1 과 10 V 사이에 있는 전압으로 변환하도록 구성된다. 따라서, 태양광 충전기는 배터리가 로딩되는 방법에 따라 3 과 4.5 V 사이의 부하 전압을 통상 요구하는 리튬 배터리와 같은, 3 V 이상의 부하 전압을 갖는 배터리를 충전하는데 사용될 수 있다.
일 양태에서, 부스트 컨버터는 15 와 9000 ㎃/㎠ 사이의 전류를 핸들링할 수 있다. 따라서, 부스트 컨버터는 완전한 햇빛인 200 룩스로부터 120000 룩스까지의 태양 전지 유닛으로부터의 전류를 핸들링할 수 있다.
일 양태에서, 봉지부는 투명한 플라스틱으로 제조된다. 이러한 특징은 유연하고, 트위스트가능하며, 내충격성의 태양광 충전기를 제공하는데 기여한다.
일부 양태들에 따르면, 단일의 태양 전지 유닛의 형상 및 크기는 그것이 전력을 공급하고 있는 휴대용 전자 디바이스의 크기 및 형상에 적응된다. 또한, 태양 전지 유닛의 활성 면적은 디바이스를 충전하는데 필요한 전력에 적응된다.
일 양태에서, 태양 전지 유닛의 활성 면적의 측면에서 측면까지의 가장 짧은 거리는 1 cm 보다 크고, 바람직하게는 1.5 cm 보다 크다.
일 양태에서, 태양 전지 유닛의 활성 면적의 측면에서 측면까지의 가장 짧은 거리는 1.5 cm 보다 크고, 태양 전지 유닛의 활성 면적은 25 ㎠ 보다 크다. 그러한 태양광 충전기는 예를 들어 헤드 폰을 충전하기에 유용하다.
일 양태에서, 태양 전지 유닛의 활성 면적의 측면에서 측면까지의 가장 짧은 거리는 10 cm 보다 크다. 따라서, 태양 전지 유닛의 활성 면적은 100 ㎠ 보다 크다. 그러한 태양광 충전기는 예를 들어 태블릿을 충전하기에 유용하다.
예를 들어, 전자 디바이스는 헤드 폰, 태블릿, 또는 이동 전화 중 임의의 것이다. 예를 들어, 전자 디바이스는 착용자의 머리 위에 도달하기 위한 헤드밴드를 포함하는 헤드 폰이며, 여기서 태양광 충전기는 헤드밴드의 상부 표면상에 배열된다. 예를 들어, 전자 디바이스는 태블릿이며, 여기서 태양광 충전기는 태블릿, 또는 태블릿의 케이싱에 통합된다. 예를 들어, 휴대용 전자 디바이스는 이동 전화이며, 여기서 태양광 충전기는 이동 전화 또는 이동 전화의 케이싱에 통합된다.
본 발명의 다른 목적은 태양 전지 유닛을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
그 방법은:
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도전성 입자들을 포함하는 제 1 잉크를 준비하는 단계,
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도전성 입자들 및 촉매 입자들의 혼합물을 포함하는 제 2 잉크를 준비하는 단계,
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다공성 절연 기판을 제공하는 단계,
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다공성 절연 기판의 제 1 측면상에 제 1 잉크의 제 1 층을 디포짓하는 단계,
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다공성 절연 기판의 제 2 측면상에 제 2 잉크의 제 2 층을 디포짓하는 단계,
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제 1 층을 다공성 제 1 도전층으로 및 제 2 층을 다공성 촉매 도전층으로 변환하기 위해 디포짓된 층들을 갖는 다공성 절연 기판을 소결하는 단계, 및
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제 1 도전층의 표면들상에 산화티타늄을 형성하기 위해 공기 중에서 소결된 도전층들을 갖는 다공성 절연 기판을 가열하는 단계를 포함한다.
그 방법은 다공성 제 1 도전층의 상부에 다공성 광 흡수층을 배열하는 단계, 다공성 층들에 이온 기반 전해질을 함침시키는 단계, 및 태양 전지 유닛을 밀봉하는 단계를 더 포함한다.
그 방법의 단계들 중 적어도 일부는 상이한 순서로 수행될 수 있으며, 예를 들어, 제 2 층이 제 1 층 전에 디포짓될 수 있다. 공기 중에서의 가열은 예를 들어 다공성 제 1 도전층의 상부에 광 흡수층을 제조함과 동시에 행해질 수 있다.
도 1 은 염료 감응형 태양 전지 유닛의 제 1 예를 도시한다.
도 2 는 염료 감응형 태양 전지 유닛의 제 2 예를 도시한다.
도 3 은 본 발명의 하나 이상의 실시형태에 따른 태양광 충전기의 평면도이다.
도 4 는 도 3 에 도시된 태양광 충전기의 확대 단면도이다.
도 5 는 요오드화물 및 트리요오드화물 이온을 포함하는 전해질을 갖는 태양 전지 유닛의 제 3 예에 대한 200 과 20000 룩스 사이의 광 강도에 대한 생성된 전압 (mV) 에 대한 측정된 값의 다이어그램을 보여준다.
도 6 은 태양 전지 유닛의 제 3 예에 대한 200 과 20000 룩스 사이의 광 강도에 대한 생성된 전류 (㎂/㎠) 에 대한 측정된 값에 기초한 다이어그램을 보여준다.
도 7 은 요오드화물 및 트리요오드화물 이온을 포함하는 전해질을 갖는 태양 전지 유닛의 제 3 예에 대한 200 과 20000 룩스 사이의 광 강도에 대한 면적당 생성된 전력 (μW/cm2) 에 대한 측정된 값에 기초한 다이어그램을 보여준다.
도 8 은 구리 이온을 포함하는 전해질을 갖는 태양 전지 유닛의 제 3 예에 대해 200 내지 50000 룩스 사이의 광 강도에 대한 생성된 전압 (mV)에 대한 측정 값의 다이어그램을 보여준다.
도 9 는 구리 이온을 포함하는 전해질을 갖는 태양 전지 유닛의 제 3 예에 대한 200 과 50000 룩스 사이의 광 강도에 대한 생성된 전류 (μA/cm2) 에 대한 측정된 값에 기초한 다이어그램을 보여준다.
도 10 은 구리 이온을 포함하는 전해질을 갖는 태양 전지 유닛의 제 3 예에 대한 200 과 50000 룩스 사이의 광 강도에 대한 면적당 생성된 전력 (μW/cm2) 에 대한 측정된 값에 기초한 다이어그램을 보여준다.
도 2 는 염료 감응형 태양 전지 유닛의 제 2 예를 도시한다.
도 3 은 본 발명의 하나 이상의 실시형태에 따른 태양광 충전기의 평면도이다.
도 4 는 도 3 에 도시된 태양광 충전기의 확대 단면도이다.
도 5 는 요오드화물 및 트리요오드화물 이온을 포함하는 전해질을 갖는 태양 전지 유닛의 제 3 예에 대한 200 과 20000 룩스 사이의 광 강도에 대한 생성된 전압 (mV) 에 대한 측정된 값의 다이어그램을 보여준다.
도 6 은 태양 전지 유닛의 제 3 예에 대한 200 과 20000 룩스 사이의 광 강도에 대한 생성된 전류 (㎂/㎠) 에 대한 측정된 값에 기초한 다이어그램을 보여준다.
도 7 은 요오드화물 및 트리요오드화물 이온을 포함하는 전해질을 갖는 태양 전지 유닛의 제 3 예에 대한 200 과 20000 룩스 사이의 광 강도에 대한 면적당 생성된 전력 (μW/cm2) 에 대한 측정된 값에 기초한 다이어그램을 보여준다.
도 8 은 구리 이온을 포함하는 전해질을 갖는 태양 전지 유닛의 제 3 예에 대해 200 내지 50000 룩스 사이의 광 강도에 대한 생성된 전압 (mV)에 대한 측정 값의 다이어그램을 보여준다.
도 9 는 구리 이온을 포함하는 전해질을 갖는 태양 전지 유닛의 제 3 예에 대한 200 과 50000 룩스 사이의 광 강도에 대한 생성된 전류 (μA/cm2) 에 대한 측정된 값에 기초한 다이어그램을 보여준다.
도 10 은 구리 이온을 포함하는 전해질을 갖는 태양 전지 유닛의 제 3 예에 대한 200 과 50000 룩스 사이의 광 강도에 대한 면적당 생성된 전력 (μW/cm2) 에 대한 측정된 값에 기초한 다이어그램을 보여준다.
본 개시의 양태들은 첨부 도면들을 참조하여 하기에서 더 충분히 설명될 것이다. 하지만, 여기에 개시된 염료 감응형 태양 전지 유닛 및 태양광 충전기는 다수의 상이한 형태들로 실현될 수 있고, 본 명세서에 기재된 양태들로 한정되는 것으로서 해석되지 않아야 한다. 도면들에서의 유사한 부호들은 전반에 걸쳐 유사한 엘리먼트들을 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 오직 본 개시의 특정 양태들을 설명할 목적일 뿐이며, 본 발명을 한정하도록 의도되지 않는다.
달리 정의되지 않으면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
도 1 은 염료 감응형 태양 전지 유닛 (1) 의 일 예를 도시한다. 태양 전지 유닛 (1) 은 광 흡수층 (10) 및 광 흡수층 (10) 으로부터 광 발생된 전자를 추출하기 위한 다공성 제 1 도전층 (12) 을 포함하는 작동 전극을 포함한다. 바람직하게는, 광 흡수층 (10) 은 다공성이다. 광 흡수층 (10) 은 제 1 도전층 (12) 의 상부에 배열된다. 태양 전지 유닛 (1) 은 절연 재료로 제조되는 다공성 절연층 (105) 을 더 포함하고, 제 1 도전층 (12) 은 다공성 절연층 (105) 의 상부에 배열된다. 예를 들어, 다공성 절연층 (105) 은 다공성 기판이다.
태양 전지 유닛 (1) 은 다공성 도전성 재료 (107') 및 다공성 도전성 재료 (107') 에 분포되어 다공성 촉매 도전층 (106) 의 구멍에 배치 된 전해질 (110) 로의 전자의 수송을 향상시키는 촉매 입자 (107'') 를 포함하는 다공성 촉매 도전층 (106) 을 포함하는 카운터 전극을 갖는다. 일 양태에서, 다공성 촉매 도전층 (106) 의 도전성 재료 (107 ') 는 도전성 입자 (107') 를 포함한다. 예를 들어, 다공성 촉매 도전층 (106) 은 도 1 의 오른쪽에 확대 된 도면에 도시 된 바와 같이 도전성 입자 (107 ') 및 촉매 입자 (107'') 의 혼합물을 포함한다. 바람직하게는, 촉매 입자 (107'') 는 촉매 도전층 (106) 의 도전성 재료 (107') 에 실질적으로 균일하게 분포된다.
다공성 촉매 도전층 (106) 은 제 1 도전층과 비교하여 절연층의 반대쪽에서 다공성 절연층 (105) 에 인접하게 배열된다.
일 양태에서, 태양 전지 유닛 (1) 의 카운터 전극은 도전성 재료를 포함하는 제 2 도전층 (16) 을 포함한다. 다공성 촉매 도전층 (106) 은 다공성 절연층 (105) 과 제 2 도전층 (16) 사이에 배치된다. 촉매 도전층 (106) 은 제 2 도전층 (16) 과 전기 접촉한다. 제 2 도전층 (16) 은 본질적으로 비촉매이다. 제 1 도전층 (12), 촉매 도전층 (106) 및 절연층 (105) 은 전해질이 층들을 관통하여 광 흡수층 (10) 에 도달하는 것을 허용하도록 다공성이다. 일 양태에 있어서, 제 2 도전층은 또한 다공성이다. 대안적인 실시형태에서, 제 2 도전층 (16) 은 생략될 수 있다.
태양 전지 유닛 (1) 은 또한 카운터 전극과 작동 전극 사이에 전하를 수송하기 위한 이온 기반 전해질 (110) 을 포함한다. 예를 들어, 이온 기반 전해질은 액체 또는 젤이다. 이온 기반 전해질은 다공성 제 1 도전층 (12), 촉매 도전층 (106), 다공성 절연층 (105) 및 광 흡수층 (10) 과 같은 다공성 층의 구멍에 위치된다. 이온 기반 전해질은 또한 제 2 도전층이 다공성인 경우 제 2 도전층 (16) 의 구멍에 위치될 수 있다.
다공성 촉매 도전층 (106) 의 도전성 재료는 카운터 전극의 일부이다. 결과적으로, 촉매 도전층 (106) 과 제 2 도전층 (16) 이 전기적으로 접촉하기 때문에, 광 흡수층 (10) 과 제 2 도전층 (16) 사이의 유효 거리가 더 짧고 따라서 도전성 매체에서의 저항 손실이 감소된다. 또한, 촉매 입자 (107'') 는 다공성 촉매 도전층의 도전성 재료 (107') 에서 전해질 (110) 로의 전자의 수송을 용이하게 한다.
일 양태에서, 촉매 도전층 (106) 은 도전성 입자 (107') 및 촉매 입자 (107' ') 의 혼합물을 포함한다. 도전성 입자는 제 2 도전층 (16) 과 전기 접촉한다. 바람직하게는, 도전성 입자는 비촉매이고 촉매 재료를 배제한다. 도전성 입자와 촉매 입자의 혼합물은 촉매 도전층에서 전해질로의 전자의 효율적인 수송을 야기할 것이다.
촉매 도전층의 도전성 입자는 도전성 재료를 포함하고 제 2 도전층 (16) 과 전기적으로 접촉한다. 촉매 입자는 도전성 입자 사이에 분포된다. 도전성 입자는 촉매 입자의 홀더로서 작용하여 그것들을 제자리에 유지한다. 도전성 입자는 촉매 입자를 수용하고 그것들을 제자리에 유지하기 위한 매트릭스를 형성 할 수 있다. 예를 들어, 그 매트릭스는 소결 된 금속 입자를 포함한다.
일 양태에서, 촉매 입자는 도전성 입자 사이에 실질적으로 균일하게 분포된다. 촉매 도전층에 촉매 입자를 실질적으로 균일하게 분포시킴으로써, 도전성 입자에서 전해질로의 전자의 수송이 향상된다. 일 양태에서, 도전성 입자는 예를 들어 소결에 의해 서로 부착된다. 도전성 입자는 촉매 입자를 수용하는 매트릭스를 형성 할 수 있다. 촉매 입자는 도전성 입자의 매트릭스에 임베딩된다. 예를 들어, 촉매 도전층은 소결 된 도전성 입자를 포함하고, 촉매 입자는 도전성 입자 사이에 배치된다. 도전성 입자는 촉매 입자 사이의 접착제 역할을하며 촉매 입자를 도전성 입자 사이의 제 위치에 유지한다.
일 양태에서, 촉매 입자 (107'') 의 적어도 80 % 는 50 nm 미만의 직경을 갖는다. 이러한 작은 입자는 큰 표면/부피 비율을 가지며 감소 된 부피의 촉매 재료로 효율적인 촉매 작용을 제공한다. 촉매 재료가 백금인 경우, 이것은 촉매 재료의 비용을 감소시킬 것이다. 일 양태에서, 도전성 입자 (107'') 의 적어도 80 % 는 100 nm 보다 큰 직경을 갖는다. 바람직하게는, 도전성 입자들의 크기는 0.1 - 15 ㎛ 사이이다.
제 1 및 제 2 도전층 (12, 16) 의 도전성 재료는 예를 들어 금속, 금속 합금, 금속 산화물, 또는 기타 도전성 재료, 예를 들어 티타늄, 티타늄 합금, 니켈 또는 니켈 합금일 수 있다. 적합하게는, 제 1 및 제 2 도전층 (12, 16) 은 티타늄 또는 그 합금을 포함한다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 도전층의 도전성 재료는 티타늄이다. 예를 들어, 제 1 도전층 (12) 은 다공성이 되기 위해 소결 된 티타늄 입자를 포함 할 수 있다. 티타늄은 내식성이 뛰어나고 이온 기반 전해질은 종종 부식성이 매우 높기 때문에 티타늄을 사용하는 것이 유리하다.
촉매 도전층 (106) 의 도전성 재료 (107’) 는 예를 들어 금속, 금속 합금, 금속 산화물, 또는 기타 도전성 재료, 예를 들어 티타늄, 티타늄 합금, 니켈 또는 니켈 합금, 인듐 또는 인듐 산화물로 제조될 수 있다. 촉매 입자 (107'') 는 예를 들어 그래핀 또는 그래파이트 또는 카본 블랙 또는 탄소 나노튜브와 같은 탄소 기반 재료, 백금 또는 이들의 조합으로 만들어진다.
일 양태에서, 촉매 입자 (107'') 는 탄소 입자를 포함한다. 탄소는 저렴하고 환경 친화적이다. 보다 바람직하게는, 촉매 입자 (107'') 는 백금화 탄소 입자를 포함한다. 백금은 탄소보다 더 좋은 촉매이지만 비싸다. 백금과 탄소의 조합을 사용하면 더 낮은 비용으로 좋은 촉매가 달성된다. 그 촉매 입자는 촉매 일뿐만 아니라 전기 전도성 일 수 있다. 예를 들어, 탄소는 전기 전도성이면서 촉매이다. 그러나 탄소는 티타늄과 같은 다른 도전성 재료에 비해 열악한 도체이다.
제 1 및 제 2 도전층 (12, 16) 의 전기 전도도는 촉매 도전층 (106) 의 전기 전도도보다 높을 수 있다. 도전성 재료과 촉매 입자의 혼합물을 갖는 촉매 도전층 (106) 및 본질적으로 촉매 입자를 갖지 않는 제 2 도전층 (16) 의 조합은 카운터 전극의 도전성 입자 (107') 로부터 전해질로의 전자의 효율적인 수송 뿐아니라 카운터 전극의 높은 전기 전도도를 야기할 것이다.
바람직하게는, 촉매 도전층은 1 내지 50 중량 %의 촉매 입자를 포함한다. 도전성 재료에서 전해질로의 전자의 효율적인 수송을 달성하는 데 필요한 촉매 입자의 중량 % 는 촉매 입자의 크기와 모양, 촉매 입자의 재료의 유형 및 도전성 재료의 유형에 따라 다르다. 예를 들어, 촉매 도전층은 5 내지 30 중량 %의 촉매 입자를 포함 할 수 있다. 이 범위는 예를 들어 도전성 입자가 티타늄으로 구성되고 촉매 입자가 백금화 탄소로 구성되는 경우에 적합하다. 그러나 앞서 언급했듯이 촉매 입자의 중량 %는 입자의 크기에 따라 달라진다.
예를 들어, 촉매 도전층 (106) 의 도전성 재료 (107') 이 티타늄 인 경우, 촉매 입자 (107'') 는 백금화 탄소를 포함하고, 촉매 입자 (107'') 의 크기는 도전성 입자 (107') 의 크기보다 작으며, 촉매 도전층 (106) 은 전자의 전해질로의 효율적인 수송을 제공하기 위해 5 내지 30 중량 % 의 촉매 입자 (107'') 를 포함 할 수 있다. 예를 들어, 촉매 도전층은 50 내지 90 중량 % 의 티타늄, 적어도 5 중량 % 의 탄소 및 적어도 0.001 중량 % 의 백금을 포함한다. 티타늄은 기계적 강도가 우수하고 백금화 탄소 입자를 촉매 도전층의 제 위치에 유지한다. 따라서 탄소, 백금 및 티타늄은 함께 기계적 강도가 높고 전자를 전해질로 수송하는 능력이 높은 촉매 도전층을 제공한다.
일 양태에서, 촉매 도전층 (106) 의 두께 (t1) 는 적어도 1 μm 이고, 바람직하게는 적어도 5 μm 이고, 가장 바람직하게는 적어도 10 μm 이다. 일 양태에서, 촉매 도전층 (106) 의 두께 (t1) 는 100 ㎛ 보다 작고, 바람직하게는 20 ㎛ 보다 작다. 일 양태에서, 다공성 절연층 (105) 의 두께 (t2) 는 0.1 ㎛ 와 20 ㎛ 사이, 바람직하게는 0.5 ㎛ 와 10 ㎛ 사이이다. 일 양태에서, 제 2 도전층 (16) 의 두께 (t4) 는 적어도 1 μm 이고, 바람직하게는 적어도 10 μm 이고, 바람직하게는 적어도 20 μm 이다.
제 1 도전층 (12) 은 도 1 의 좌측 확대 된 도면에 도시 된 바와 같이, 도전성 재료의 표면에 형성된 절연 산화물 층 (109) 을 포함한다. 이 산화물 층 (109) 은 제 1 도전층의 도전성 재료를 산화시킴으로써 형성된다. 도전성 재료는 적합하게는 금속 또는 금속 합금, 예를 들어 티타늄을 포함한다. 도전성 재료의 표면은 공기에 노출될 때 산화된다. 산화물 층 (109) 은 도전성 재료가 산화되도록 제 1 도전층을 산화 분위기에서 열처리함으로써 형성될 수 있다. 절연 산화물 층 (109) 은 도전성 재료 상에 전기 절연층을 제공하는데, 이는 제 1 도전층 (12) 과 제 1 도전층 (12) 의 구멍에 배치 된 전해질 사이의 전자의 수송을 적어도 부분적으로 방지한다.
일 양태에서, 제 1 도전층 (12) 은 다공성 티타늄, 및 그 다공성 티타늄의 표면에 형성된 티타늄 산화물 층 (109) 을 포함하여 산화물 층 (109) 이 제 1 도전층의 다공성 티타늄을 전기적으로 절연시키고 이에 의해 전자가 제 1 도전층의 다공성 티타늄에서 제 1 도전층의 구멍에 있는 전해질까지 누출되는 것을 방지한다. 따라서 태양 전지 유닛의 효율이 증가한다. 예를 들어, 제 1 도전층 (12) 은 소결 된 티타늄 입자 (107) 를 포함하고, 소결 된 티타늄 입자 (107) 의 표면은 도 1 의 좌측 확대 된 도면에 도시 된 바와 같이 산화티타늄 층 (109) 으로 덮인다. 일 양태에서, 산화티타늄 층의 두께는 5 nm 보다 크고, 바람직하게는 10 nm 보다 크고, 더욱 바람직하게는 20 nm 보다 크다. 일 양태에서, 산화티타늄 층의 두께는 10 과 200 nm 사이, 바람직하게는 20 - 50 nm 사이이다.
특히, 전자가 제 1 도전층에서 액체 기반 전해질로 누출되는 것을 방지하는 절연 산화물 층 (109) 과, 다공성 도전성 재료 (107) 에 분포 된 촉매 입자 (107'') 를 포함하는 촉매 도전층 (106) 을 포함하는 카운터 전극과, 카운터 전극의 효율을 향상시키는 비촉매 도전층 (16) 의 조합은 광범위한 상이한 조명 조건에서 전력을 생산할 수 있는 효율적인 태양 전지 유닛을 야기할 것이다. 태양 전지 유닛은 예를 들어 실내에서 인공 조명에서, 및 실외에서 그늘속에서 및 강한 햇빛에 노출될 때 등 열악한 조명 조건 뿐아니라 우수한 조명 조건에서도 작동한다.
일 양태에서, 전해질은 요오드화물/트리요오드화물 전해질, 구리 착물 기반 전해질, 또는 코발트 착물 기반 전해질 중 임의의 것, 또는 이들의 조합이다. 일 양태에서, 전해질은 요오드화물 (I-) 및 트리요오드화물 (I3 -) 을 포함하고 도전성 매체에서의 트리요오드화물의 함량은 1 mM 과 20 mM 사이이다. 이 실시형태는 낮은 광 강도에서 높은 전력 발생을 달성하는 것을 가능하게 한다.
다공성 절연층 (105) 의 절연 재료는 예를 들어 제 1 도전층 (12) 과 촉매 도전층 (106) 사이에 위치되는 무기 재료이며, 제 1 도전층 (12) 과 촉매 도전층 (106) 을 서로 절연시킨다. 다공성 절연층 (105) 은 예를 들어 유리 섬유, 세라믹 마이크로섬유, 또는 2D 재료 또는 나노시트와 같은 층상 결정을 박리하여 유도된 재료로 만들어진다.
태양 전지 유닛 (1) 은 다공성 기판을 포함 할 수 있다. 다공성 절연층 (105) 은 도 1 에 도시 된 바와 같이 전체 기판을 포함하거나, 도 2 에 도시 된 바와 같이 다공성 기판 (114) 의 일부 (114a) 만을 포함 할 수 있다. 일 양태에 따르면, 다공성 기판은 전체 태양 전지 유닛을 통해 연장되는 직조된 마이크로섬유를 포함하는 시트이다. 예를 들어, 직조된 마이크로섬유는 유리 섬유로 만들어 진다.
도 2 는 절연 재료로 제조된 다공성 기판 (114) 을 포함하는 염료 감응형 태양 전지 (1') 의 예를 도시한다. 도 1 및 도 2 에서 유사하거나 대응하는 부분은 동일한 숫자로 표시된다. 태양 전지들 (1' 및 1) 사이의 차이점은 다공성 촉매 도전층 (106') 이 다공성 기판 (114) 의 제 1 부분 (114a) 을 포함하고 다공성 절연층 (105) 이 다공성 기판 (114) 의 제 2 부분 (114b) 을 포함한다는 점이다. 촉매 도전층 (106') 은 도전성 입자 (107') 및 다공성 기판 (114) 의 제 1 부분 (114a) 의 구멍에 배치 된 촉매 입자 (107'') 를 포함한다. 촉매 도전층 (106') 의 도전성 입자 (107') 는 다공성 기판 (114) 의 부분 (114a) 의 절연 재료를 통해 도전성 망 (209) 을 형성한다. 도전성 망 (209) 은 다공성 기판의 제 1 부분 (114a) 의 절연 재료를 통해 하나 이상의 전기 전도성 경로를 형성한다. 도전성 입자 (107') 및 촉매 입자 (107'') 는 다공성 기판 (114) 의 구멍 내에 배치된다. 바람직하게는, 입자의 크기는 태양 전지의 생산 동안 기판에 침투 할 수 있도록 다공성 기판의 구멍의 크기보다 작다. 도전성 망 (209) 은 다공성 기판 (114) 으로 연장되는 제 2 도전층의 연장을 제공한다. 다공성 기판 내의 도전성 망으로 인해, 카운터 전극과 광 흡수층 사이의 거리는 더 이상 다공성 기판의 두께에 의존하지 않는다. 따라서, 절연층의 두께가 감소될 수 있고, 이에 의해 카운터 전극과 광 흡수층 사이의 거리가 감소될 수 있다. 따라서, 전해질에서의 저항 손실이 감소된다.
이하, 태양 전지 유닛 (1) 을 제조하기 위한 방법의 일 예가 간략하게 설명된다.
1)
전기 도전성 재료로 이루어진 도전성 입자를 포함하는 제 1 잉크를 준비하는 단계. 도전성 입자는 예를 들어 티타늄 수소화물로 만들어진다.
2)
도전성 입자들과 촉매 입자들의 혼합물을 포함하는 제 2 잉크를 준비하는 단계. 도전성 입자는 예를 들어 티타늄 수소화물 (TiH2) 로 제조되고 촉매 입자는 예를 들어 백금화 탄소 입자이다.
3)
다공성 절연 기판, 예를 들어 유리 직물을 제공하는 단계.
4)
예를 들어, 티타늄 수소화물 입자를 포함하는 제 1 잉크를 다공성 절연 기판의 일 측면에 인쇄하여 다공성 절연 기판의 일 측면에 도전성 입자를 디포짓하는 단계.
5)
인쇄 된 제 1 잉크가 공기 중에서 건조되도록 허용하는 단계.
6)
예를 들어, 티타늄 수소화물 입자 및 백금화 탄소 입자를 포함하는 제 2 잉크를 다공성 절연 기판의 타 측면에 인쇄하여 다공성 절연 기판의 타 측면에 촉매 입자와 도전성 입자의 혼합물을 디포짓하는 단계.
7)
그런 다음 인쇄 된 제 2 잉크가 공기 중에서 건조되도록 허용하는 단계.
8)
예를 들어, 촉매 입자와 도전성 입자의 혼합물 층에 티타늄 수소화물 입자를 포함하는 제 1 잉크를 인쇄함으로써 촉매 도전층의 상부에 도전성 입자를 디포짓하는 단계.
9)
그 후 인쇄 된 제 1 잉크가 공기 중에서 건조되도록 허용하는 단계.
10)
인쇄 된 층들을 갖는 다공성 절연 기판이 그 후 예를 들어 600 oC 에서 한 시간 동안 진공 소결되는 단계. 소결 공정 동안, 티타늄 수소화물은 티타늄으로 변환된다. 결과적으로, 소결 된 티타늄을 포함하는 제 1 도전층, 소결 된 티타늄을 포함하는 제 2 도전층, 소결 된 티타늄 및 소결 된 티타늄 사이의 구멍에 배치 된 백금화 탄소 입자를 포함하는 촉매 도전층이 소결 공정 동안 형성된다.
11)
제 1 도전층의 소결된 티타늄의 표면들 상에 산화티타늄을 형성하기 위해 소결된 도전층들을 갖는 다공성 절연 기판이 공기 중에서 가열되는 단계.
12)
TiO2 기반 잉크는 제 1 도전층의 상부에 인쇄 된 다음 건조된다. 층들을 갖는 유리 직물은 예를 들어 600 oC 까지 가열된다. 결과적으로, 디포짓된 TiO2 층은 소결된다.
13)
소결된 TiO2 층이 광 흡수층을 형성하기 위해 염료 감응화되는 단계.
14)
이온성 전해질, 예를 들어 요오드화물/트리요오드화물 (I-/I3)-기반 산화 환원 전해질이 다공성 층에 침투되는 단계.
15)
태양 전지가 예를 들어 투명한 봉지부에 의해 밀봉되는 단계.
대안적으로, 단계 11 은 단계 12 에서 TiO2 층을 소결하는 것과 동시에 수행될 수 있다.
다공성 도전층들은 스크린 인쇄, 슬롯 다이 코팅, 스프레이 또는 습식 배치 (wet laying) 중 임의의 것에 의해 다공성 기판 상에 디포짓될 수 있다.
단계 11 의 열처리 동안, 산화티타늄도 촉매 도전층 상에 형성된다. 촉매 도전층상의 산화물 층은 도전성 재료와 촉매 도전층의 구멍에 배치 된 전해질 사이에서 전자가 수송되는 것을 방지 할 것이라고 가정 할 수 있다. 놀랍게도, 촉매 입자, 예를 들어 백금화 탄소 입자는 촉매 도전층의 도전성 재료상의 산화물 층에도 불구하고 도전성 재료로부터 전해질로의 전자의 수송을 가능하게 한다는 것이 발견되었다.
도 3 은 태양광 충전기 (200) 의 예의 평면도를 도시한다. 태양광 충전기 (200) 는 특히 이어폰, 랩톱, 태블릿, 이동 전화, 및 원격 제어 유닛과 같이 실외뿐만 아니라 실내에서 사용될 수 있는 휴대용 전자 장치에 전력을 공급하기 위해 적응된다. 태양광 충전기 (200) 는 사물 인터넷 (IoT) 이라고 하는 가전 기기 및 차량과 같은 다른 물리적 장치에 내장된 소형 전자 장치에 전력을 공급하는 데에도 사용될 수 있다.
태양광 충전기 (200) 는 태양 전지 유닛 (1), 태양 전지 유닛 (1) 을 둘러싸는 봉지부 (5), 제 1 도체 (18) 및 제 2 도체 (20) 를 포함한다. 태양광 충전기는 태양광 충전기 (200) 를 전자 장치에 연결하기 위한 연결 엘리먼트 (미도시) 를 더 포함 할 수 있다. 태양 전지 유닛 (200) 은 모놀리식 타입 DSC 이다. 모놀리식 유형의 DSC 는 그것이 단일 기판상에 생성되고 기판상에 다수의 층이 디포짓된다는 점에서 표준 DSC 와 상이하다.
봉지부는 태양광 디바이스를 외부 디바이스에 연결하기 위해 제 1 및 제 2 도체들에 연결된 복수의 관통부들을 포함한다. 즉, 태양광 디바이스에 의해 생산된 전력에 액세스하기 위해 봉지부에 관통부들이 존재한다. 어떤 종류의 배선은 관통부들을 통과할 것이다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 도체들은, 외부 디바이스에 전력공급하기 위한 배선에 연결하기 위해 관통부들을 통해 봉지부 밖으로 연장될 수도 있다. 대안적으로, 봉지부의 외부로부터의 와이어들은 관통부들을 통과하여 제 1 및 제 2 전도체들에 전기적으로 연결된다. 관통부들은 봉지부를 통과하는 배선 주위에 단단히 고정되어, 가스 또는 액체가 관통부들을 통과할 수 없게 한다. 예를 들어, 관통부들은 봉지부를 통과하는 배선 주위에 단단히 고정된 봉지부의 개구들이다.
봉지부 (5) 는 태양광 디바이스 (1) 를 외부 디바이스에 연결하고 그에 의해 태양광 디바이스에 의해 생산된 전력에 액세스하기 위해 제 1 도체 (18) 및 제 2 도체 (20) 에 연결되어 배열된 복수의 관통부들 (7a-7b) 을 포함한다. 예를 들어, 관통부들은 봉지부에서의 납통 개구들이다. 어떤 종류의 배선은 개구들을 통과할 것이다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 도체들 (18, 20) 은 도 3 에 도시된 바와 같이 외부 디바이스에 전력공급하기 위한 배선에 연결하기 위해 관통부들 (7a-7b) 을 통해 봉지부 밖으로 연장될 수도 있다. 대안적으로, 봉지부의 외부로부터의 와이어들은 관통부들을 통과하고 있고, 제 1 및 제 2 도체들에 전기적으로 연결된다. 관통부들은 배선 주위에 단단히 고정되어, 가스 또는 액체가 관통부들을 통과할 수 없게 한다. 관통부들은, 봉지부가 태양 전지 유닛 (1) 상에 배열될 때 홀들을 통과해야 하는 와이어들 또는 전도체들을 제자리에 있게 함으로써 제조될 수 있다. 봉지부는 예를 들어 태양 전지 유닛 (1) 위에 함께 놓인 접착 필름들인 상부 시트 (5a) 및 저부 시트 (5b) 로 이루어진다. 대안적으로, 상부 및 저부 시트들은 가요성 플라스틱 재료로 제조되며, 상부 및 저부 시트들의 에지들은 플라스틱 재료를 용융시킴으로써 서로 접착된다. 와이어들/도체들이 접착 전에 시트들 사이에서 이미 제자리에 있고 시트들의 에지들에서 돌출하는 경우, 관통부들이 접착 동안에 생성될 것이다. 대안적으로, 관통부들은 태양 전지 유닛의 봉지 이후에 제조된 봉지부에서 스루 홀들을 포함한다. 스루 홀들은, 와이어들/도체들이 스루 홀들에 배열된 후 밀봉된다. 관통부들의 위치들은 제 1 및 제 2 도체들의 위치에 의존할 것이다. 관통부들의 수는 변할 수 있다. 제 1 및 제 2 도체의 각각에 대해 적어도 하나의 관통부가 존재한다. 하지만, 제 1 및 제 2 도체들 각각에 대해 복수의 관통부들을 갖는 것도 또한 가능하다.
도 4 는 도 3 에 도시된 태양광 충전기 (200) 의 부분을 통한 단면도의 확대도를 도시한다. 태양광 충전기 (200) 는 하나의 태양 전지 유닛 (1), 또는 태양 전지 유닛 (1') 을 포함하는데, 이는 도 1 및 도 2 를 참조하여 더 상세히 설명된다. 예를 들어, 광 흡수층 (10) 은 염색된 TiO2 를 포함한다. 당업계에 공지된 종래의 염료가 사용될 수 있다. 염료는 특히 구리 기반 도전성 매질와 함께 태양 전지의 우수한 효율을 제공하도록 선택된다. 광 흡수층 (10) 은 제 1 도전층 (12) 의 상부에 배열된다. 다공성 광 흡수층 (10) 은 제 1 도전층 (12) 상에 디포짓된 다공성 TiO2 층이다. TiO2 층은 TiO2 입자들의 표면 상에 염료 분자들을 흡수함으로써 염색된 TiO2 입자들을 포함한다. 광 흡수층 (10) 은 태양 전지 유닛 (1) 의 상부측상에 위치된다. 그 상부측은 광이 작동 전극의 염료 분자들에 부딪히게 하도록 광을 향하고 있어야 한다.
제 1 도전층 (12) 은 광 흡수층 (10) 과 직접 전기적으로 접촉한다. 이 실시예에서, 제 2 도전층 (16) 은 다공성이다. 그러나, 대안적인 실시형태에서, 제 2 도전층 (16) 은 다공성 일 필요는 없다. 예를 들어, 제 2 도전층은 금속 호일로 제조될 수 있다. 이 예에서, 다공성 절연층 (105) 은 다공성 기판의 적어도 일부를 포함한다. 다공성 기판은 제 1 도전층 (12) 과 촉매 도전층 (106) 사이에 전기 절연을 제공한다. 제 1 도전층 (12) 및 촉매 도전층 (106) 은 다공성 기판에 의해 물리적 및 전기적으로 분리된다. 다공성 기판의 다공성은 절연층 (105) 을 통한 이온 수송을 가능하게 할 것이다. 제 1 도전층 (12) 및 촉매 도전층 (106) 의 다공성은 카운터 전극과 작동 전극 사이의 이온 수송을 가능하게 할 것이다.
태양광 충전기 (200) 는 단 하나의 태양 전지 유닛 (1) 만을 포함한다. 적어도 제 1 도전층 (12) 및 다공성 기판은 전체 태양 전지 유닛을 통해 연속적으로 연장되고 있다. 광 흡수층 (10) 및 제 2 도전층 (16) 은 적어도 태양 전지 유닛의 주요 부분을 통해 연속적으로 연장된다.
태양 전지 유닛 (1) 은 카운터 전극과 광 흡수층 (10) 사이에서 전하들을 수송하기 위한 전해질로 충진된다. 전해질은 예를 들어 종래의 I-/I-3 전해질 또는 유사한 전해질, 또는 구리 (Cu) 기반 전해질, 또는 코발트 (Co) 착체 기반 전해질이다. 전해질은 이온, 예를 들어, 요오드화물 이온 (I-) 및 트리요오드화물 이온 (I3 -) 또는 구리 이온 (Cu+ 및 Cu2+) 을 포함한다. 태양광이 염료에 의해 집광되어, TiO2 입자들의 전도대에 주입되고 제 1 도전층에 의해 더 수집되는 광 여기 전자들을 생성한다. 동시에, 전해질에서의 이온들은 제 2 도전층으로부터 광 흡수층 (10) 으로 전자들을 수송한다. 제 1 도체 (18) 는 제 1 도전층으로부터 전자들을 수집하고 제 2 도체는 제 2 도전층에 전자들을 제공하여, 태양 전지 유닛이 입사하는 광자들로부터 전력을 지속적으로 생성할 수 있게 한다.
전해질은 광 흡수층 (3), 제 1 도전층 (12), 다공성 절연층 (105), 제 2 도전층 (16) 및 촉매 도전층 (106) 의 구멍들을 관통하여, 이온들이 제 2 도전층 (106) 과 광 흡수층 (10) 사이에서 수송되게 하고, 그에 의해, 작동 전극으로부터 광 흡수층으로 전자들을 수송하게 한다.
사용될 수 있는 많은 염료가 있으며, 일부 양태들에 따르면, 염료는 클래스 도너-π 브릿지-억셉터 (D-π-A) 및 클래스 도너-억셉터-π 브릿지-억셉터 (D-A-π-A) 의 염료 중 임의의 염료 또는 이들의 혼합물을 포함하는 트리아릴아민 유기 염료를 포함한다. 이러한 염료는 특히 구리 기반 도전성 매질과 조합하여 태양 전지의 우수한 효율을 제공한다. 제 1 클래스 감광제는 예를 들어 치환된 (디페닐 아미노 페닐)-티오펜-2-시아노 아크릴산 또는 치환된 (디페닐 아미노 페닐)시클로펜타-디티오펜-2-시아노 아크릴산이다. 제 2 클래스는 예를 들어, 치환된 (((디페닐아미노페닐)벤조티아-디아졸릴)-시클로펜타 디티오페닐)아릴/헤테로아릴-2-시아노아크릴산 또는 (((디페닐-아미노페닐)-시클로펜타디티오페닐)벤조티아디아졸릴)아릴/헤테로아릴-2-시아노-아크릴산이다.
제 1 도체 (18) 는 제 1 도전층 (12) 에 전기적으로 연결되고, 제 2 도체 (20) 는 제 2 도전층 (16) 에 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 도체들은 높은 전기 전도도를 달성하기 위해 금속으로 만들어진다.
봉지부 (5) 는 태양 전지 유닛 (1) 의 상부측을 커버하는 상부 시트 (5a), 및 태양 전지 유닛의 저부측을 커버하는 저부 시트 (5b) 를 포함한다. 봉지부 (5) 는 태양 전지 유닛 및 전해질을 둘러싸고, 전해질에 대한 액체 배리어로서 작용하며 전해질이 태양광 충전기 (200) 로부터 누출되는 것을 방지한다. 상부 시트 (5a) 는 투명하거나, 또는 적어도 태양 전지 유닛 (1) 의 활성 영역을 커버하는 부분은 투명하다. 태양 전지 유닛의 상부측상의 상부 시트 (5a) 는 광 흡수층 (10) 을 커버하고 광이 통과하게 한다. 상부 및 저부 시트들 (5a-5b) 은, 예를 들어, 폴리머 재료로 제조된다. 폴리머 재료는 강건하고 내충격성이고, 가요성이다. 상부 및 저부 시트들 (5a-5b) 은, 주변 분위기에 대해 태양 전지 유닛을 보호하고 그리고 태양 전지 유닛의 내부로부터 전해질의 증발 또는 누출을 방지하기 위하여 에지들에서 밀봉된다.
일 예에서, 다공성 기판은 직조된 마이크로섬유의 직물을 포함하는 시트이다. 마이크로섬유는 직경이 10 ㎛ 미만이고 1 nm 를 초과하는 섬유이다. 직조된 마이크로섬유의 직물은 매우 얇고 기계적으로 매우 강하게 만들 수 있다. 직조된 마이크로섬유의 직물은 직조된 원사 사이에 구멍이 있다. 다공성 기판은 원사 사이의 구멍을 적어도 부분적으로 차단하기 위해 직조된 마이크로섬유 상에 배치된 부직 마이크로섬유의 하나 이상의 층을 추가로 포함 할 수 있다. 또한, 부직포 층은 인쇄에 의해 기판 상에 매끄러운 도전층을 적용하기에 적합한 기판 상에 매끄러운 표면을 제공한다. 기판은 예를 들어 유리, 실리카 (SiO2), 알루미나 (Al2O3), 알루미 노실리케이트 또는 석영으로 제조된다. 적합하게, 다공성 기판의 부직포 및 직조 마이크로 섬유들은 유리 섬유로 제조되고, 이는 강건성 및 가요성 기판을 제공한다. 직조 마이크로섬유 직물의 두께는 적합하게는 4 μm 와 30 μm 사이, 바람직하게는 4 μm 와 20 μm 사이이어서, 필요한 기계적 강도를 제공하는 동시에 카운터 전극과 작동 전극 사이의 이온의 빠른 수송을 가능하게 하기에 충분히 얇다.
일 양태에서, 광 흡수층 (10) 및 제 1 도전층 (12) 은 불투명하다. 일 양태에 있어서, 태양 전지 유닛 (1) 의 상부 표면은 도 3 에 도시된 바와 같이 균일하게 흑색이다. 광 흡수층의 TiO2 는 흑색이다. 종래 기술의 태양 전지 패널에서와 같이 태양 전지 유닛 (1) 의 표면을 가로 질러 연장되는 도체가 없다. 이는 태양광 충전기 (200) 가 종래 기술의 태양광 충전기에서 사용되는 태양 전지판에서와 같이 직렬 연결된 복수의 태양 전지 유닛들이 아닌 하나의 단일 태양 전지 유닛만을 포함하기 때문이다.
태양 전지 유닛의 크기, 즉, 태양 전지 유닛의 길이 및 폭은 어느 디바이스를 충전하도록 적응되는지에 의존하여 변할 수도 있다. 이에 따라, 태양 전지 유닛의 활성 영역은 충전할 디바이스를 위한 전력의 필요에 의존하여 변할 수도 있다. 태양 전지 유닛의 가능한 형상 및 크기에 대한 제한은 없다. 예를 들어, 태양 전지 유닛의 크기는 1 cm2 의 활성 영역을 갖는 1x1 cm 와 1 m2 의 활성 영역을 갖는 1x1 m 사이에서 변할 수도 있다. 태양 전지 유닛의 길이와 너비에는 상한이 없다. 그러나, 1x1 m 보다 큰 태양 전지 유닛은 태양 전지 유닛 제조 동안 다루기에 부피가 클 수 있다.
태양광 충전기 (200) 는 단일 태양 전지 유닛 (1) 과 제 1 및 제 2 도체들 (18, 20) 에 전기적으로 연결된 부스트 컨버터 (22) 를 포함한다. 승압 컨버터 또는 승압 레귤레이터라고도하는 부스트 컨버터는 입력에서 출력으로 전류를 낮추면서 전압을 높이는 DC-DC 전력 변환기이다. 단일 태양 전지 유닛에서 생성된 전압은 너무 낮아서 특정 유형 또는 배터리, 예를 들어, 적어도 3.6 V 가 필요한 리튬 배터리를 충전 할 수 없다. 부스트 컨버터는 태양 전지 유닛 (1) 으로부터의 전압을 높이는 반면 태양 전지 유닛으로부터의 전류를 낮추도록 적응된다. 필요한 전압 레벨은 부스트 컨버터를 단일 태양 전지 유닛에 연결하여 달성할 수 있다. 따라서, 서로 다른 전압 레벨을 요구하는 배터리를 충전 할 수 있는 하나의 단일 태양 전지 유닛만 갖는 태양광 충전기를 제공 할 수 있다.
태양광 충전기 (200) 는 태양광 충전기를 그것이 충전하고 있는 전자 디바이스의 배터리에 연결하기 위한 연결 엘리먼트들 (3, 4) 을 포함한다. 부스트 컨버터 (22) 는 제 1 및 제 2 도체들 (18, 20)에 전기적으로 연결된 입력 단자와 연결 엘리먼트 (3, 4) 에 전기적으로 연결된 출력 단자를 포함한다.
생성된 전압의 레벨은 전해질의 이온에 따라 다르다. 예를 들어, 전해질이 구리 이온을 포함하는 경우, 광 흡수층이 받는 광 강도가 20000 룩스 일 때, 태양 전지 유닛은 개방 회로에서 약 1V 의 전압을 생성하고, 전해질이 요오드화물 및 트리요오드화물 이온을 포함하는 경우, 광 흡수층이 받는 광 강도가 20000 룩스 일 때, 태양 전지 유닛은 개방 회로에서 약 0.65 V 의 전압을 발생시킨다. 그러나, 태양 전지 유닛 (1) 은 광 흡수층에 의해 수광되는 광 강도가 200 과 20000 룩스 사이에서 변할 때 개방 회로에서 최대 0.4 V 까지 변하는 전압을 생성한다. 부스트 컨버터의 전압 변환에 대한 요건은 충전식 배터리의 전압 요건에 따라 다르다. 소비자 용 전자 장치에 사용되는 대부분의 충전식 배터리 유형은 1 ~ 10 V 사이의 전압을 필요로한다. 부스트 컨버터는 충전식 배터리에서 요구하는 레벨의 안정적인 전압을 생성하는 것을 가능하게 한다. 바람직하게는, 부스트 컨버터 (22) 는 태양 전지 유닛으로부터의 출력 전압 및 전류를 1 과 10 V 사이의 전압 레벨로 변환할 수 있다. 요구되는 출력 전압에 따라 상이한 부스트 컨버터가 사용될 수 있다. 따라서 태양광 충전기는 리튬 배터리 (3.6V), NiCd 및 NiMH 배터리 (1.25V)와 같은 다양한 유형의 전자 장치에 사용되는 배터리를 충전 할 수 있다.
테스트들은 태양 전지 유닛이 상기 광 흡수층에 의해 수광된 광 강도가 200 룩스일 때 적어도 15 μA/cm2 의 전류를, 및 광 흡수층에 의해 수광된 광 강도가 20000 룩스일 때 적어도 1500 μA/cm2 의 전류를 생성할 수 있다는 것을 보여주었다. 따라서, 태양 전지 유닛은 광범위한 광 강도에서 전자 장치의 배터리를 충전하기에 충분한 전력을 생산할 수 있다.
일부 양태들에 따르면, 적어도 제 1 도전층 (12) 및 다공성 기판 (114) 은 전체 태양 전지 유닛 (1) 을 통해 연속적으로 연장되고 있다. 광 흡수층 (10) 및 제 2 도전층 (16) 은 적어도, 태양 전지 유닛의 주요 부분을 통해 연속적으로 연장된다.
하나의 단일 태양 전지 유닛 (1) 을 포함하는 본 발명의 태양광 충전기의 예에 대해서 상이한 광 조건에 대한 면적당 생성 전력의 측정이 이루어졌다. 이 예에서 태양 전지 유닛 (1) 은 14.5 x 23.4 cm 의 크기, 및 340 cm2 의 활성 면적을 갖는다. 태양 전지 유닛 (1) 의 전해질은 요오드화물 및 트리요오드화물 이온을 포함하고, 제 1 및 제 2 도전층은 티타늄 (Ti) 으로 만들어진다. 무부하 태양광 충전기는 200 과 20000 룩스 (평방 미터당 루멘) 사이의 빛에 노출되며 태양광 충전기로부터의 출력 전압과 출력 전류가 측정된다. 이들 측정들의 결과들은 아래 표 1 에 나타내어진다. 발생된 총 전력은 측정 된 전류와 전압에 기초하여 결정되며, 면적당 생성된 전력은 총 전력을 태양 전지 유닛의 활성 면적으로 나눔으로써 결정된다.
표 1 요오드화물 (I-) 및 트리요오드화물 (I3 -) 이온을 포함하는 전해질을 갖는 태양 전지 유닛 (1) 에 대해 200 ~ 20000 룩스 사이의 광 강도에 대한 활성 영역 당 생성 전력, 활성 영역 당 전류, 전압 및 충진 계수 (ff) 의 측정. 트리요오드화물의 함량은 1 mM 와 20 mM 사이이다. 요오드화물은 산화제로서 작용하고 트리요오드화물은 환원제로서 작용한다.
상이한 광 강도 (룩스 단위로 측정 된 강도) 에서 태양 전지 유닛 (1) 의 성능 측정은 태양 전지 유닛에 빛을 비추고 동시에 태양 전지 유닛에 걸쳐 인가된 전압을 스캔하여 태양 전지의 전류-전압 응답을 측정 및 수집함으로써 행해질 수 있다. 측정은 따뜻한 백색 LED 를 광원으로 사용하여 수행되었다.
조명 하에서 수집 된 IV 곡선은 개방 회로 전압, 단락 전류, 충진율, 전력 및 전력 변환 효율에 대한 정보를 제공한다. 상이한 광 강도에서 IV 곡선을 수집함으로써, 각각 개방 회로 전압, 단락 전류, 충진율, 전력 및 전력 변환 효율의 광 강도 의존성에 대한 정보를 각각 수집하는 것이 가능하다.
표 1 의 결과는 태양 전지 유닛 (1) 의 샘플을 측정 한 것이다. 이 유형의 상이한 태양 전지 유닛에 대한 측정은 다를 수 있다. 예를 들어, 면적당 생성 전력은 5 μW/cm2 에서 8 μW/cm2 까지일 수 있다.
태양 전지에 빛을 비추는 데 사용되는 광원은 태양 전지 애플리케이션에 따라 다를 수 있다. 실내 애플리케이션의 경우, 형광 전구 또는 실내 LED 조명을 사용하는 것이 유용 할 수 있다. 실외 조명을 사용하는 태양 전지 애플리케이션의 경우, 인공 태양 광을 생성하기 위해 솔라 시뮬레이터를 사용하여 태양 전지에 빛을 비추는 것이 유용 할 수 있다.
광원의 광 강도는 예를 들어 광원과 관련하여 태양 전지 유닛와 동일한 위치에 위치한 룩스 미터 또는 분광방사계를 사용하여 상이한 방식으로 측정될 수 있다. 이 경우, 광 강도는 룩스 미터를 사용하여 측정되었다.
표 1 은 룩스 단위로 측정된 상이한 광 강도들에 대한 제곱 센티미터 당 마이크로와트 (μW/cm2) 단위의 결정된 전력을 보여준다. 표에서 볼 수 있듯이, 태양 전지 유닛 (1) 는 태양 전지 유닛 (1) 이 받는 광 강도가 200 룩스 일 때 6.2 μW/cm2 를 생성하고, 태양 전지 유닛 (1) 이 받는 광 강도가 5000 룩스 일 때 208 μW/cm2 를 생성하며, 태양 전지 유닛 (1) 에 의해 수광된 광 강도가 20000 룩스 일 때 730 μW/cm2 를 생성한다. 이것은 태양광 충전기가 광 흡수층이 받는 광 강도가 200 룩스 일 때 5 μW/cm2 이상, 그리고 심지어 5.5 μW/cm2 이상을 생산할 수 있음을 보여준다. 이것은 또한 태양광 충전기가 광 흡수층이 받는 광 강도가 20000 룩스 일 때 700 μW/cm2 이상을 생산할 수 있음을 보여준다. 따라서, 태양 전지 유닛 (1) 은 광 흡수층에 의해 수광되는 광 강도가 200 과 20000 룩스 사이에 있을 때 적어도 5.5 와 700 μW/cm2 사이를 생산할 수 있다. 태광광 충전기에 의해 생성된 전력은 광 흡수층에 의해 수광된 광 강도가 200 에서 20000 룩스 로 증가 할 때 실질적으로 선형으로 증가한다. 따라서, 태양광 충전기는 광범위한 상이한 조명 조건에서 전력을 생산할 수 있다.
도 5 는 표 1 의 측정 값에 기초하여 200 과 20000 룩스 사이의 광 강도들에 대한 생성 전압 (mV) 의 다이어그램을 보여준다. 다이어그램 및 표 1 에서 알 수 있듯이, 태양 전지 유닛 (1) 은 태양 전지 유닛 (1) 이 수광하는 광 강도가 200 룩스 일 때 개방 회로에서 480 mV 의 전압을 생성 할 수 있다. 또한, 태양광 충전기 (200) 는 태양 전지 유닛 (1) 이 수광하는 광 강도가 20000 룩스 일 때 개방 회로에서 650 mV 의 전압을 생성 할 수 있다. 다이어그램에서 볼 수 있듯이, 생성 전압의 증가는 200 과 3000 룩스 사이에서 가장 크다. 생성된 전압은 3000 과 20000 룩스 사이에서 실질적으로 선형이다. 표 1 에서 볼 수 있듯이, 200 과 20000 룩스 사이의 생성 전압에서의 차이는 167 mV 에 불과하다. 따라서, 태양 전지 유닛 (1) 은 광 흡수층에 의해 수광되는 광 강도가 200 과 20000 룩스 사이에서 변할 때 개방 회로에서 0.2 V 미만으로 변하는 전압을 생성한다. 따라서 200 과 20000 룩스 사이의 생성 전압에서의 차이는 약 35 % 이다.
도 6 은 표 1 의 측정 값에 기초하여 200 과 20000 룩스 사이의 광 강도들에 대한 생성 전류 (μA/cm2) 의 다이어그램을 보여준다. 그림에서 볼 수 있듯이, 전류는 선형적으로 증가한다.
도 7 은 표 1 의 전압 및 전류의 측정 값에 기초하여 계산된 200 과 20000 룩스 사이의 광 강도들에 대한 면적당 생성 전력 (μW/cm2) 의 다이어그램을 보여준다. 다이어그램에서 볼 수 있듯이, 측정된 전력은 200 - 20000 룩스 간격에서 입사하는 광 강도에 실질적으로 비례한다.
본 발명의 태양광 충전기의 다른 예에 대해서 상이한 광 조건들에 대한 면적당 생성 전력의 추가의 측정이 이루어졌다. 이 예에서, 태양 전지 유닛 (1) 의 전해질은 구리 이온들 (Cu+ 및 Cu2+) 을 포함하며, 이것은 측정된 태양광 충전기들 간의 유일한 차이이다. 측정 조건은 동일했다. 무부하 태양광 충전기 (200) 는 200 과 20000 룩스 (평방 미터당 루멘) 사이의 빛에 노출되며 태양광 충전기로부터의 출력 전압과 출력 전류가 측정된다. 이들 측정들의 결과가 아래 표 2 에 나타내어진다.
표 2 구리 이온들; 환원제로서의 Cu+ 및 산화제로서의 Cu2+ 을 포함하는 전해질을 갖는 태양 전지 유닛 (1) 에 대해 200 - 20000 룩스 사이의 광 강도들에 대한 면적 당 생성 전력, 면적 당 전류, 전압 및 충진 계수 (ff) 의 측정.
표 2 에서 볼 수 있듯이, 태양 전지 유닛 (1) 는 태양 전지 유닛 (1) 이 받는 광 강도가 200 룩스 일 때 12.8 μW/cm2 를 생성하고, 태양 전지 유닛 (1) 이 받는 광 강도가 5000 룩스 일 때 498 μW/cm2 를 생성하며, 태양 전지 유닛 (1) 에 의해 수광된 광 강도가 20000 룩스 일 때 2020 μW/cm2 를 생성한다. 이것은 태양광 충전기 (200) 가 광 흡수층 (10) 이 받는 광 강도가 200 룩스 일 때 12 μW/cm2 이상을 생산할 수 있음을 보여준다. 이것은 또한 태양광 충전기 (200) 가 광 흡수층 (10) 이 받는 광 강도가 20000 룩스 일 때 2000 μW/cm2 이상을 생산할 수 있음을 보여준다. 태광광 충전기에 의해 생성된 전력은 광 흡수층에 의해 수광된 광 강도가 200 에서 20000 룩스 로 증가 할 때 실질적으로 선형으로 증가한다. 따라서, 태양광 충전기 (200) 는 광범위한 상이한 조명 조건에서 전력을 생산할 수 있다.
도 8 은 표 2 의 측정 값에 기초하여 200 과 50000 룩스 사이의 광 강도들에 대한 생성 전압 (mV) 의 다이어그램을 보여준다. 다이어그램 및 표 2 에서 알 수 있듯이, 태양 전지 유닛 (1) 은 태양 전지 유닛 (1) 이 수광하는 광 강도가 200 룩스 일 때 개방 회로에서 699 mV 의 전압을 생성 할 수 있다. 또한, 태양광 충전기 (200) 는 태양 전지 유닛 (1) 이 수광하는 광 강도가 20000 룩스 일 때 개방 회로에서 943 mV 의 전압을 생성 할 수 있다. 다이어그램으로부터 알 수 있듯이, 생성된 전압은 3000 과 50000 룩스 사이에서 실질적으로 선형이다. 표 2 에서 볼 수 있듯이, 200 과 20000 룩스 사이의 생성 전압에서의 차이는 244 mV 에 불과하다. 따라서 200 과 20000 룩스 사이의 생성 전압에서의 차이는 약 35 % 이다. 200 과 50000 룩스 사이의 생성 전압에서의 차이는 단지 259 mV 이다. 따라서, 태양 전지 유닛 (1) 은 광 흡수층에 의해 수광되는 광 강도가 200 과 50000 룩스 사이에서 변할 때 개방 회로에서 300 mV 미만으로 변하는 전압을 생성한다. 따라서 200 과 50000 룩스 사이의 생성 전압에서의 차이는 약 37% 이다.
도 9 는 표 2 의 측정 값에 기초하여 200 과 50000 룩스 사이의 광 강도들에 대한 생성 전류 (μA/cm2) 의 다이어그램을 보여준다. 도면에서 볼 수 있듯이, 전류는 선형적으로 증가한다.
도 10 은 표 1 의 전압 및 전류의 측정 값에 기초하여 계산된 200 과 50000 룩스 사이의 광 강도들에 대한 면적당 생성 전력 (μW/cm2) 의 다이어그램을 보여준다. 다이어그램에서 볼 수 있듯이, 측정된 전력은 200 - 20000 룩스 간격에서 입사하는 광 강도에 실질적으로 비례한다.
본 발명은 개시된 실시형태들로 한정되지 않고, 다음의 청구항들의 범위 내에서 변경 및 수정될 수도 있다. 예를 들어, 제 2 도전층 (16) 은 생략될 수 있다. 제 2 도전층을 생략하는 것은 태양 전지 유닛이 디바이스에 전력을 공급하기에 충분한 전력을 생성 할 수 있는 상이한 광 조건의 범위를 줄일 수 있다. 그러나 일부 응용 분야에서, 조명 조건은 그다지 변하지 않으며 더 작은 범위에서 전력을 생산할 수 있는 태양 전지 유닛으로 충분하다.
Claims (16)
- 염료 감응형 태양 전지 유닛 (1; 1') 으로서,
- 다공성 광 흡수층 (10) 을 포함하는 작동 전극,
- 상기 광 흡수층 (10) 으로부터 광 생성 전자들을 추출하기 위한 도전성 재료를 포함하는 다공성 제 1 도전층 (12) 으로서, 상기 광 흡수층은 상기 제 1 도전층의 상부에 배열되는, 상기 다공성 제 1 도전층 (12),
- 절연 재료로 제조되는 다공성 절연층 (105) 으로서, 상기 제 1 도전층 (12) 은 상기 다공성 절연층 (105) 의 일측 상에 형성되는, 상기 다공성 절연층 (105),
- 상기 다공성 절연층 (105) 의 반대 측에 형성된 다공성 촉매 도전층 (106; 106') 을 포함하는 카운터 전극, 및
- 전자들을 카운터 전극으로부터 작동 전극으로 수송하고 상기 다공성 제 1 도전층 (12), 상기 다공성 촉매 도전층 (106; 106'), 및 상기 다공성 절연층 (105) 의 구멍들 내에 배열되는 이온 기반 전해질로서, 상기 제 1 도전층 (12) 은 상기 도전성 재료의 표면들 상에 형성된 절연 산화물 층 (109) 을 포함하고, 상기 다공성 촉매 도전층 (106; 106') 은 도전성 재료 (107') 및 상기 도전성 재료로부터 상기 전해질로의 전자들의 수송을 향상시키기 위한 상기 도전성 재료 (107') 에 분포되는 촉매 입자들 (107'') 을 포함하는, 상기 이온 기반 전해질을 포함하는, 염료 감응형 태양 전지 유닛. - 제 1 항에 있어서,
상기 촉매 입자들 (107'') 은 상기 다공성 촉매 도전층 (106; 106') 의 상기 도전성 재료 (107') 에 실질적으로 균일하게 분포되는, 염료 감응형 태양 전지 유닛. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 다공성 촉매 도전층 (106) 의 상기 도전성 재료 (107') 는 다공성 매트릭스를 형성하고 상기 촉매 입자들 (107'') 은 상기 다공성 매트릭스에 분포되는, 염료 감응형 태양 전지 유닛. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 촉매 도전층 (106; 106') 은 1 - 50 중량 % 사이의 촉매 입자들 (107'') 을 포함하는, 염료 감응형 태양 전지 유닛. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 카운터 전극은 상기 다공성 촉매 도전층 (106; 106') 과 전기적으로 접촉하는 도전성 재료를 포함하는 제 2 도전층 (16) 을 포함하고, 상기 제 2 도전층 (16) 은 본질적으로 비촉매이고, 상기 다공성 촉매 도전층 (106; 106') 은 상기 다공성 절연층 (105) 과 상기 제 2 도전층 (16) 사이에 배치되는, 염료 감응형 태양 전지 유닛. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 도전층 (12) 의 상기 도전성 재료 (107') 는 티타늄이고, 상기 절연 산화물 층 (109) 은 상기 티타늄의 표면들 상에 형성된 산화티타늄인, 염료 감응형 태양 전지 유닛. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 촉매 입자들 (107'') 은 백금화 탄소 입자들인, 염료 감응형 태양 전지 유닛. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다공성 촉매 도전층 (106; 106') 의 상기 도전성 재료 (107') 는 티타늄인, 염료 감응형 태양 전지 유닛. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다공성 촉매 도전층 (106; 106') 의 상기 도전성 재료 (107') 는 티타늄이고, 상기 촉매 입자들 (107'') 은 백금화 탄소 입자들이고, 상기 다공성 촉매 도전층은 50 과 90 중량 % 사이의 티타늄, 적어도 5 중량 % 의 탄소, 및 적어도 0.001 중량 % 의 백금을 포함하는, 염료 감응형 태양 전지 유닛. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 촉매 입자들 (107'') 의 적어도 80 % 는 50 nm 미만의 직경을 갖는, 염료 감응형 태양 전지 유닛. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절연 산화물 층 (109) 의 두께는 10 nm 와 200 nm 사이, 바람직하게는 20 - 50 nm 사이인, 염료 감응형 태양 전지 유닛. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 태양 전지 유닛 (1; 1') 은 상기 광 흡수층 (10) 에 의해 수광된 광 강도가 200 룩스일 때 적어도 5 μW/cm2 를 생성하고, 상기 광 흡수층 (10) 에 의해 수광된 광 강도가 20,000 룩스일 때 적어도 600 μW/cm2 를 생성하는, 염료 감응형 태양 전지 유닛. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 태양 전지 유닛 (1; 1') 은 상기 광 흡수층 (10) 에 의해 수광된 광 강도가 200 과 50,000 룩스 사이에서 변화할 때 40 % 미만에서 변화하는 전압을 발생시키는, 염료 감응형 태양 전지 유닛. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 태양 전지 유닛 (1; 1') 은 상기 광 흡수층 (10) 에 의해 수광된 광 강도가 200 룩스일 때 적어도 15 μA/cm2 의 전류를 생성하고, 상기 태양 전지 유닛에 의해 생성되는 전류는 상기 광 흡수층 (10) 에 의해 수광된 광 강도가 200 에서 20,000 룩스로 증가할 때 선형적으로 증가하는, 염료 감응형 태양 전지 유닛. - 전자 디바이스를 충전하도록 특별히 구성된 태양광 충전기 (200) 로서,
- 제 1 항에 따른 염료 감응형 태양 전지 유닛 (1,1'),
- 상기 태양 전지 유닛을 캡슐화하는 봉지부 (5),
- 상기 제 1 도전층 (12) 에 전기적으로 연결된 제 1 도체 (18), 및
- 상기 제 2 도전층 (16) 에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제 2 도체 (20) 로서, 상기 태양광 충전기 (200) 는 단 하나의 단일 태양 전지 유닛 (1,1') 과 상기 제 1 및 제 2 도체들 (18, 20) 에 전기적으로 연결된 부스트 컨버터 (22) 를 포함하고, 상기 부스트 컨버터는 상기 태양 전지 유닛으로부터의 전류를 하강시키는 동안 상기 태양 전지 유닛의 전압을 상승시키도록 적응되는, 상기 적어도 하나의 제 2 도체 (20) 를 포함하는, 태양광 충전기 (200). - 제 1 항에 따른 태양 전지 유닛을 제조하는 방법으로서,
- 도전성 입자들을 포함하는 제 1 잉크를 준비하는 단계,
- 도전성 입자들 (107') 과 촉매 입자들 (107'') 의 혼합물을 포함하는 제 2 잉크를 준비하는 단계,
- 다공성 절연 기판 (105) 을 제공하는 단계,
- 상기 다공성 절연 기판의 제 1 측면 상에 상기 제 1 잉크의 제 1 층을 디포짓하는 단계,
- 상기 다공성 절연 기판의 제 2 측면 상에 상기 제 2 잉크의 제 2 층을 디포짓하는 단계,
- 상기 제 1 층을 다공성 제 1 도전층 (12) 으로 및 상기 제 2 층을 다공성 촉매 도전층 (106; 106') 으로 변환하기 위해 디포짓된 층들을 갖는 상기 다공성 절연 기판을 소결하는 단계, 및
- 제 1 도전층의 상기 표면들 상에 산화티타늄을 형성하기 위해 소결된 도전층들을 갖는 상기 다공성 절연 기판을 공기 중에서 가열하는 단계를 포함하는, 태양 전지 유닛을 제조하는 방법.
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