KR20210091964A - 태양전지－열전소자 융합형 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지와 열전소자가 융합된 융합형 발전장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 발전장치는 태양전지부; 상기 태양전지부 하부에 위치하는 열전소자부; 및 상기 태양전지부와 열전소자부 사이에 위치하며, 이 광자 흡수(two photon absorption)에 의해 태양전지부를 통과하여 열전소자부 쪽으로 입사되는 광을 흡수하는 광열 변환층(photothermal conversion layer);을 포함한다.

Description

태양전지－열전소자 융합형 발전장치{Monolithic Photovoltaic－Thermoelectric Hybrid Power Generator}
본 발명은 본 발명은 광전에 의해 전력을 생성하는 태양전지와 열 구배에 의해 전력을 생성하는 열전소자가 융합된 융합형 발전장치에 관한 것으로, 상세하게, 태양전지에서 흡수하지 못한 광 에너지를 열 에너지로 전환시킴으로써, 발전 효율을 현저하게 상승시킨 융합형 발전장치에 관한 것이다.
태양전지의 구동 시 조사되는 광에 의해 태양전지 자체의 온도가 상승될 수 있고, 과도한 온도 상승은 태양전지의 광전변환효율의 저하를 야기한다. 이로 인하여 태양전지와 열전소자를 결합하여 태양전지에 인가되는 열이 열전소자에 이용되도록 하는 태양전지 열전 융합소자가 개발되고 있다.
대한민국 등록특허공보 10-1956682호에 개시된 바와 유사하게, 태양전지 열전 융합소자는 열전소자부, 열전소자부 상에 위치하는 열전달층, 열전달층 상에 위치하되, 상기 열전소자부와 전기적으로 연결된 태양전지부의 구조를 갖는 것이 통상적이다.
종래기술에서는 은 또는 구리와 같은 열전도성 물질을 이용하여 열전달층을 구성함으로써 광열 효과를 증진시키고자 하였으나, 발전 효율 증진에 그 한계가 있으며, 이와 달리 초격자 구조를 이용하여 선택적 태양광 흡수체(SSA; selective solar absorber)를 구현하고 이를 통해 태양전지에서 흡수하지 못하여 버려지는 광을 흡수시키는 기술이 제안된 바 있으나 초격자 구조를 제조하는데 복잡하고 까다로운 공정이 요구되어 상업화되기 어려운 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 10-1956682호
본 발명의 목적은 태양전지에서 흡수하지 못하는 광을 열 에너지로 전환시킴으로써, 향상된 발전 효율을 갖는 태양전지-열전 소자 융합형 발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 간단한 공정 및 저가의 소재에 기반하여, 상업화 및 대량생산에 유리한 태양전지-열전 소자 융합형 발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 발전장치는 태양전지부; 상기 태양전지부 하부에 위치하는 열전소자부; 및 상기 태양전지부와 열전소자부 사이에 위치하며, 이 광자 흡수(two photon absorption)에 의해 태양전지부를 통과하여 열전소자부 쪽으로 입사되는 광을 흡수하는 광열 변환층(photothermal conversion layer);을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치에 있어, 상기 광열 변환층은 절연성 고분자; 및 아조계 염료;를 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치에 있어, 상기 광열 변환층은 절연성 고분자층; 및 상기 절연성 고분자층에 표면 코팅된 아조계 염료층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치에 있어, 상기 광열 변환층은 점착성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치에 있어, 상기 아조계 염료는 모노아조계 흑색 염료를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치에 있어, 상기 절연성 고분자는 아크릴계 고분자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치에 있어, 상기 아조계 염료층의 두께는 0.1 내지 2.0μm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치에 있어, 상기 광열 변환층은 광흡수 스펙트럼상 900nm 내지 1500nm 파장 영역에서 파장별 흡수도(spectral absorptivity)가 0.5 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치에 있어, 상기 광열 변환층의 열 저항(thermal resistance)은 0.5Wm-1K-1 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치에 있어, 상기 태양전지부는 페로브스카이트 태양전지, 염료 감응형 태양전지, 양자점 감응형 태양전지, 유기 태양전지, 화합물 반도체 태양전지 및 실리콘 태양전지에서 하나 이상 선택되는 태양전지를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치에 있어, 상기 열전소자부는 서로 이격 배열된 하나 이상의 N형 열전소재 기둥 및 P형 열전소재 기둥을 포함하는 열전소재 기둥 어레이, 상기 열전소재 기둥 어레이 일 단과 결합하는 제1전극, 및 상기 열전소재 기둥 어레이의 타 단과 결합하는 제2전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치에 있어, 상기 발전장치는 상기 열전소자부의 상기 제1전극과 제2전극 중, 저온측에 위치하는 전극이 양(+)의 단자로 인출되며, 상기 태양전지부의 수광측에 위치하는 전면전극이 음(-)의 단자로 인출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치에 있어, 상기 열전소자부의 상기 제1전극과 제2전극 중, 고온측에 위치하는 전극이 상기 광열 변환층에 직접 접할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치에 있어, 상기 N형 열전소재는 Bi-Te계 또는 Bi-Te-Se계이며, 상기 P형 열전소재는 Sb-Te계 또는 Bi-Sb-Te계일 수 있다.
본 발명에 따른 발전 장치는 태양전지부와 열전소자부가 융합된 융합형 발전 장치이며, 매우 낮은 열저항을 갖는 광열변환층에서 태양전지부를 통과하여 버려지는 근적외선 대역의 광을 효과적으로 흡수하여 열 에너지로 전환시킴에 따라, 개방회로 전압을 크게 증가시켜 향상된 발전 효율을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치에 구비되는 광열 변환층을 관찰한 광학사진 및 주사전자현미경 관찰사진이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치에 구비되는 광열 변환층의 광 조사 하 열전 특성을 관찰한 열화상 카메라 이미지 및 광 조사시간에 따른 온도를 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치에 구비되는 광열 변환층의 근적외선 대역의 광흡수도를 측정 도시한 도면이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치에 구비되는 광열 변환층의 푸리에 변환 적외선 분광 분석 스펙트럼을 도시한 도면이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치에 구비되는 광열 변환층에 레이저 빔을 조사하여 수득된 발광 스펙트럼 및 레이저 빔의 파워에 따른 최대 발광 피크 강도를 도시한 도면이며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치를 관찰한 광학 사진이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치의 전류 전압 특성을 측정 도시한 도면이며,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치의 전력-전압 특성을 특정 도시한 도면이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 융합형 발전장치를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서, 막(층), 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분과 접하여 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막(층), 다른 영역, 다른 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
본 발명에 따른 발전장치는 태양전지부; 상기 태양전지부 하부에 위치하는 열전소자부; 및 상기 태양전지부와 열전소자부 사이에 위치하며, 이 광자 흡수(two photon absorption)에 의해 태양전지부를 통과하여 열전소자부 쪽으로 입사되는 광을 흡수하는 광열 변환층(photothermal conversion layer);을 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 발전장치는 광 에너지를 흡수하여 전력을 생성하는 태양전지를 포함하는 태양전지부와, 열 구배에 의해 전력을 생성하는 열전소자를 포함하는 열전소자부가 융합된 융합형 발전장치이다.
알려진 바와 같이, 태양전지는, 전지 내에 구비되는 광흡수체(absorber)의 밴드갭 에너지에 따라, 광흡수체가 흡수할 수 있는 광의 파장에는 그 한계가 있다. 일 예로, 광흡수체가 실리콘인 실리콘 태양전지의 경우 밴드갭 에너지가 1.12eV임에 따라 파장이 1100nm 이상인 광은 실질적으로 흡수가 불가하다. 광흡수체에 의한 태양광 흡수 파장 한계에 의해, 이에, 태양전지(만)을 통해 전력을 생성하는 경우, 광흡수체에서 흡수하지 못하고 버려지는 태양광 에너지가 약 40%에 이른다.
본 발명은 태양전지에 의해 자외 내지 가시광 대역 광 에너지를 전력으로 전환하고, 광의 진행(입사) 방향으로 태양전지의 후단에 위치하는 광열 변환층의 이 광자 흡수(two photon absorption)에 의해 통상 태양전지에서 흡수하지 못하는 근적외선 대역의 광을 흡수하여 열 에너지로 전환시킨 후, 이러한 열 에너지를 열전소자에 의해 전력으로 전환시킴으로써, 버려지는 태양광 에너지를 최소화할 수 있으며, 장치의 발전 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
광의 진행(입사) 방향으로 태양전지부의 후단에 위치하는 광열 변환층, 달리 말하면, 태양전지부와 열전소자부의 사이에 위치하는 광열 변환층은 이 광자 흡수(two photon absorption)에 의해 광을 흡수하여 열을 생성한다.
광열 변환층이 이 광자 흡수에 의해 광을 흡수함으로써 통상의 태양전지에서 흡수하지 못하는 근적외선 대역, 구체적으로 파장이 750nm 이상인 광, 보다 구체적으로 파장이 900nm 이상인 광, 보다 구체적으로 900nm 내지 3000nm 대역의 근적외선 광을 매우 효과적으로 흡수하여 열 에너지를 생성할 수 있다.
광열 변환층은 절연성일 수 있으며, 광열 변환층의 절연성은 광열 변환층에 함유되는 고분자(절연성 고분자)에 의해 부여될 수 있다. 절연성인 광열 변환층은 태양전지부의 태양전지와 열전소자부의 열전소자간의 합선(short)을 방지할 수 있다. 또한, 광열 변환층은 절연성 고분자와 함께 아조계 염료를 함유할 수 있다. 이때 아조계 염료는 절연성 고분자에 화학적으로 또는 정전기적으로 결합된 상태일 수 있다. 절연성 고분자에 결합된 아조계 염료를 포함하는 광열 변환층은 이 광자 흡수를 통해 근적외선 대역의 광을 흡수할 수 있으며, 광 에너지 흡수에 의해 발생하는 열에 의해 열전소자부의 고온 전극(hot electrode)과 저온 전극(cold electrode)간의 열 구배를 증진시킬 수 있다.
절연성 고분자는 절연성을 갖는 합성 수지(합성 고분자), 천연 고분자 또는 이들의 혼합물등을 들 수 있다. 합성 수지(합성 고분자)의 일 예로, 에틸렌계 수지, 프로필렌계 수지, 스티렌계 수지, 메타크릴계 수지, 비닐알콜계 수지, 염화비닐계 수지, 올레핀계 수지, 에스터계 수지, 아미드계 수지, 우레탄계 수지, 카보네이트계 수지, 페놀계 수지, 우레아계 수지, 멜라민계 수지, 불포화 에스테르계 수지, 에폭시계 수지, 실리콘계 수지, 불소계 수지, 프탈레이트계 수지, 아크릴계 수지등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
유리한 일 예에 있어, 광열 변환층에 함유되는 절연성 고분자는 아크릴계 수지일 수 있다. 절연성 고분자가 아크릴계 수지인 경우, 아조계 염료가 아크릴계 수지에 화학 결합하며, 이 광자 흡수 메커니즘에 의해 근적외선 대역의 광을 매우 효과적으로 흡수할 수 있다. 구체적으로, 아크릴계 수지에 아조계 염료가 결합된 경우, 광열 변환층의 광흡수 스펙트럼상 900nm 내지 1500nm 파장 영역에서 파장별 광흡수도(spectral absorptivity)가 0.5 이상일 수 있으며, 900nm 파장에서의 광 흡수도가 약 0.6에 다다를 수 있고, 2000nm 파장에서의 광흡수도가 0.4 이상일 수 있다. 이때, 아조계 염료를 함유하지 않는 동일 두께의 단순 아크릴계 수지 막에서의 흡수도는 900nm 내지 2000nm 전 영역에서 0.1 이하의 수준이다.
유리한 일 예에 따른 아크릴계 수지는 (메트)아크릴계 폴리머를 함유한다. (메트)아크릴계 폴리머는, 통상적으로 모노머 단위로서 알킬(메트)아크릴레이트를 주성분으로서 함유한다. 또한, (메트)아크릴레이트는 아크릴레이트 및/또는 메타크릴레이트를 의미한다. (메트)아크릴계 폴리머의 주골격을 구성하는 알킬(메트)아크릴레이트로는, 직사슬형 또는 분기 사슬형의 C1-C18(메트)아크릴레이트를 예로 들 수 있다. 구체 예로, 알킬기로는, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 이소부틸기, 아밀기, 헥실기, 시클로헥실기, 헵틸기, 2-에틸헥실기, 이소옥틸기, 노닐기, 데실기, 이소데실기, 도데실기, 이소미리스틸기, 라우릴기, 트리데실기, 펜타데실기, 헥사데실기, 헵타데실기, 옥타데실기 또는 이들의 조합 등을 예시할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, (메트)아크릴계 폴리머는, 모노머 단위로, 페녹시에틸(메트)아크릴레이트, 벤질(메트)아크릴레이트와 같은 방향족 고리를 함유하는 (메트)아크릴레이트를 포함할 수 있다. 구체적으로, 아크릴계 수지는 방향족 고리를 함유하는 알킬(메트)아크릴레이트가 중합된 폴리머와 앞서 예시된 (메트)아크릴계 폴리머가 혼합된 혼합물, 또는, 방향족 고리를 함유하는 알킬(메트)아크릴레이트와 앞서 예시된 알킬(메트)아크릴레이트와의 공중합체를 포함할 수 있다. (메트)아크릴계 폴리머가 방향족 고리를 함유하는 (메트)아크릴레이트를 함유하는 경우, 방향족 고리를 함유하는 (메트)아크릴레이트의 비율은, (메트)아크릴계 폴리머의 전체 구성 모노머의 중량을 기준으로 하여, 50 중량% 이하의 비율, 구체적으로 1 내지 35 중량％, 보다 구체적으로 1 내지 20 중량％일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 중량 평균 분자량이 50 만 ∼ 300 만의 범위인 것이 사용된다. (메트)아크릴계 폴리머의 중량 평균 분자량은 70 만 ∼ 300 만 수준일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예에 있어, 광열 변환층은 점착성을 가질 수 있다. 광열 변환층이 점착성을 갖는 경우, 태양전지부와 열전소자부가 광열 변환층에 의해 서로 일체로 결착될 수 있어 유리하다. 즉, 광열 변환층이 점착성을 갖는 경우, 광열 변환층은 태양전지부를 통과하여 열전소자부로 유입되는 광을 흡수하여 열 에너지를 생성하는 역할과 함께, 태양전지부와 열전소자부를 결착시키는 결착층의 역할 또한 수행할 수 있다. 이때, 광열 변환층의 점착성은 광열 변환층에 함유되는 점착성을 갖는 절연성 고분자(이하, 점착성 수지)에 의한 것일 수 있다. 점착성 수지의 대표적인 예로, 우레탄 프리폴리머, 아크릴계 수지, 고무계 수지, 실리콘계 수지등을 들 수 있다.
알려진 바와 같이, 점착성 수지는 해당 수지의 단량체와 필요에 따라 응집력등과 같은 물성을 조정할 수 있는 추가적인 단량체, 중합개시제(가교제), 용제, 필요시 점착부여제나 가소제, 연쇄 이동제 등을 혼합한 수지 조성물을 중합반응함으로써 제조될 수 있다. 점착성 수지에서 가교의 정도는 가교 폴리머의 비율, 즉, 켈 분율에 의해 결정되는데, 범용 점착제는 켈 분율은 0 내지 40% 수준이며, 고기능 점착제는 켈 분율이 40 내지 90%수준이다.
유리한 일 예에 따라, 점착성 수지가 아크릴계 점착성 수지인 경우, 아크릴계 수지의 단량체로 알킬기의 탄소수가 C1∼C18인 알킬(메트)아크릴레이트, 방향족 고리를 함유하는 (메트)아크릴레이트 또는 이들의 조합등을 들 수 있다. 알려진 바와 같이, 전체 모노머 중 방향족 고리를 함유하는 (메트)아크릴레이트의 함량을 조절함으로써 점착 특성을 조절할 수 있다.
추가적인 단량체로, 아크릴계 점착제 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 접착성이나 내구성등의 개선을 목적으로 한 (메트)아크릴로일기 또는 비닐기 등의 불포화 이중 결합을 갖는 중합성의 관능기를 갖는 1 종류 이상의 공중합(용) 모노머를 들 수 있다. 중합성의 관능기를 갖는 공중합(용) 모노머의 구체예로, (메트)아크릴산2-하이드록시에틸, (메트)아크릴산3-하이드록시프로필, (메트)아크릴산4-하이드록시부틸, (메트)아크릴산6-하이드록시헥실, (메트)아크릴산8-하이드록시옥틸, (메트)아크릴산10-하이드록시데실, (메트)아크릴산12-하이드록시라우릴이나 (4-하이드록시메틸시클로헥실)-메틸아크릴레이트 등의 하이드록실기 함유 모노머; (메트)아크릴산, 카르복시에틸(메트)아크릴레이트, 카르복시펜틸(메트)아크릴레이트, 이타콘산, 말레산, 푸말산, 크로톤산 등의 카르복실기 함유 모노머; 무수 말레산, 무수 이타콘산 등의 산무수물기 함유 모노머; 아크릴산의 카프로락톤 부가물; 스티렌술폰산이나 알릴술폰산, 2-(메트)아크릴아미드-2-메틸프로판술폰산, (메트)아크릴아미드프로판술폰산, 술포프로필(메트)아크릴레이트, (메트)아크릴로일옥시나프탈렌술폰산 등의 술폰산기 함유 모노머; 2-하이드록시에틸아크릴로일포스페이트 등의 인산기 함유 모노머;등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 점착제 분야에서 알려진 바와 같이, 하이드록실기 함유 모노머, 카르복실기 함유 모노머 등은 분자간 가교제와의 반응성이 풍부하기 때문에, 얻어지는 점착제층의 응집성이나 내열성의 향상을 위해 사용된다. 하이드록실기 함유 모노머는 리워크성에서 유리하고, 또 카르복실기 함유 모노머는 내구성과 리워크성을 모두 확보할 수 있어 유리하다.
이와 함께, 또는 이와 독립적으로, 아크릴계 점착제 분야에서 주지된 추가적인 모노머가 사용될 수 있다. 일 예로, 공중합(용) 모노머로 3-아크릴옥시프로필트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 4-비닐부틸트리메톡시실란, 4-비닐부틸트리에톡시실란, 8-비닐옥틸트리메톡시실란, 8-비닐옥틸트리에톡시실란, 10-메타크릴로일옥시데실트리메톡시실란, 10-아크릴로일옥시데실트리메톡시실란, 10-메타크릴로일옥시데실트리에톡시실란, 10-아크릴로일옥시데실트리에톡시실란 등과 같은 규소 원자를 함유하는 실란계 모노머 등이 사용될 수 있으며, 트리프로필렌글리콜디(메트)아크릴레이트, 테트라에틸렌글리콜디(메트)아크릴레이트, 1,6-헥산디올디(메트)아크릴레이트, 비스페놀 A 디글리시딜에테르디(메트)아크릴레이트, 네오펜틸글리콜디(메트)아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리(메트)아크릴레이트, 펜타에리트리톨트리(메트)아크릴레이트, 펜타에리트리톨테트라(메트)아크릴레이트, 디펜타에리트리톨펜타(메트)아크릴레이트, 디펜타에리트리톨헥사(메트)아크릴레이트, 카프로락톤 변성 디펜타에리트리톨헥사(메트)아크릴레이트 등의 (메트)아크릴산과 다가 알코올의 에스테르화물 등의 (메트)아크릴로일기, 비닐기 등의 불포화 이중 결합을 2 개 이상 갖는 다관능성 모노머나, 폴리에스테르, 에폭시, 우레탄 등의 골격에 모노머 성분과 동일한 관능기로서 (메트)아크릴로일기, 비닐기 등의 불포화 이중 결합을 2 개 이상 부가한 폴리에스테르(메트)아크릴레이트, 에폭시(메트)아크릴레이트, 우레탄(메트)아크릴레이트 등을 사용할 수도 있다. 이와 함께 또는 이와 독립적으로, 추가적인 모노머로, (N-치환) 아미드계 모노머, (메트)아크릴산알콕시알킬계 모노머, 숙신이미드계 모노머, 말레이미드계 모노머, 이타콘이미드계 모노머, 비닐계 모노머, 시아노아크릴레이트계 모노머, 에폭시기 함유 아크릴계 모노머, 글리콜계 아크릴에스테르 모노머, 아크릴산에스테르계 모노머 등도 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 알려진 바와 같이, 중합 개시제는 아조계 개시제, 과산화물계 개시제, 과산화물과 환원제를 조합한 레독스계등을 들 수 있으며, 연쇄 이동제는 라우릴메르캅탄, 글리시딜메르캅탄, 메르캅토아세트산, 2-메르캅토에탄올, 티오글리콜산, 티오글루콜산2-에틸헥실, 2,3-디메르캅토-1-프로판올등을 들 수 있다. 가소제로는 아디프산계 가소제, 세바크산계 가소제, 인산계 가소제, 피마자유계 가소제, 올레산계 가소제, 아크릴산계 가소제등을 들 수 있다. 상술한 바와 같이, 종래 점착제 분야에서 아크릴계 점착성 물질을 제조하는데 통상 사용하는 중합 개시제나 가소제, 연쇄 이동제등을 사용하여 알려진 조건에 따라 중합을 수행하면 족하다.
일 구체예에 있어, 광열 변환층에 함유된 절연성 고분자는 그 일부 내지 전부가 아조계 염료에 의해 염색된 상태일 수 있다. 아조계 염료에 의해 염색된 절연성 고분자는, 이 광자 흡수를 통해 태양전지부를 관통하여 입사되는 근적외선 대역을 흡수하고, 흡수된 에너지는 비 방사성 이완을 통해 열의 형태로 고분자 체인으로 전달되고, 최종적으로 열전 소자로 전달되어, 열전 소자에 구비된 열전소재 기둥의 열 구배를 증가시키게 된다.
아조계 염료는, 하전된 5가 N 원자에 의해 양이온을 띄는 양이온성 유기 염료일 수 있으며, 방향족 아민 화합물을 디아조(Diazo) 성분으로 하고 페놀류나 아민류 화합물을 커플러(Coupler) 성분으로 하여, 디아조와 커플러의 짝지음 반응된 양이온성 염료일 수 있다.
유리한 일 예에 있어, 아조계 염료는 모노아조계 염료일 수 있다. 모노아조계 염료는, 이 광자 흡수에 의해 근적외선 대역의 광을 효과적으로 흡수 가능하게 한다. 또한, 모노아조계 염료의 디아조 기(-N=N-)는 절연성 고분자, 특히, 아크릴계 수지 금지대(Forbidden Band)에 적절한 가상의 에너지 레벨을 제공하여, 광열 변환층이 900nm 내지 1500nm 파장 전 영역에서 0.5 이상의 높은 파장별 광흡수도를 가질 수 있으며, 또한, 흡수된 광 에너지의 비 방사성 이완에 의해 약 55℃ 이상의 온도(1.5G 태양광 조사 기준)를 유지할 수 있다.
또한, 아조계 염료는 흑색 염료일 수 있다. 흑색의 아조계 염료는 가시광 대역에 속하는 포톤을 흡수할 수 있어 유리하다. 이에, 유리한 일 예에 있어 아조계 염료는 모노아조계 흑색 염료일 수 있으며, 구체적으로, 하전된 5가 N 원자를 포함하는 고리에 의해 양이온성을 띄는 양이온성 모노아조계 흑색 염료일 수 있다.
유리한 일 실시예에 있어, 아조계 염료는 하전된 5가 N 원자를 함유하는 고리를 포함하는 방향족 아민 화합물을 디아조 성분으로 하고 페놀류를 커플러(Coupler) 성분으로 하여, 디아조와 커플러의 짝지음 반응된 양이온성 모노아조계 흑색 염료일 수 있다. 이때, 방향족 아민 화합물은 사프라닌계일 수 있으며, 사프라닌계는 페노사프라닌을 포함할 수 있다.
광열 변환층은 아조계 염료로 염색된 절연성 고분자를 포함할 수 있다. 일 구체예로, 광열 변환층은 아조계 염료로 염색된 절연성 고분자를 함유하는 층을 포함하거나, 절연성 고분자 층 및 절연성 고분자 층의 표면에 코팅된 아조계 염료층을 포함할 수 있다. 이때, 표면 코팅된 아조계 염료층은 절연성 고분자 층의 표면이 아조계 염료로 염색되며 형성되는 염료층을 의미할 수 있으며, 아조계 염료층은 절연성 고분자 층의 적어도 일면, 또는 양면 각각에 위치할 수 있다.
절연성 고분자가 점착성 수지인 경우, 광열 변환층은 베이스 필름; 베이스 필름의 두 대향면 각각에 위치하는 점착성 수지층; 각 점착성 수지층의 표면에 코팅된 아조계 염료층;을 포함할 수 있다. 베이스 필름은 점착 테이프에 통상적으로 사용되는 기재 물질이면 족하다. 일 예로, 베이스 필름은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 베이스 필름 또는 점착성 수지층의 두께는 각각 수 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터 수준, 일 예로, 1 내지 10μm 수준일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광열 변환층이 절연성 고분자 층(점착성 수지층을 포함) 및 절연성 고분자 층의 표면이 염색되며 형성되는 아조계 염료층을 포함하는 경우, 아조계 염료층의 두께는 0.1 내지 2.0μm, 구체적으로 0.5 내지 1.5μm, 보다 구체적으로 0.7 내지 1.3μm 수준일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제조방법적으로, 광열 변환층은 절연성 고분자(점착성 수지를 포함함)의 중합시 아조계 염료를 투입하여 염색된 절연성 고분자를 제조하고 이를 필름화하여 제조될 수 있다. 또는 이와 달리, 판매되는 절연성 고분자 필름(점착성 수지층이 구비된 점착 테이프를 포함) 또는 제조된 절연성 고분자 층(점착성 수지층을 포함함)을 아조계 염료로 염색하여 광열 변환층이 제조될 수 있다. 염색 조건은 구체 절연성 고분자의 물질과 구체 아조계 염료 물질을 고려하여, 해당 물질에 기 알려진 방법을 사용하면 무방하다. 유리한 일 예인, 아크릴계 점착성 수지와 양이온성 모노아조계 흑색 염료를 기준하는 경우, 알려진 바와 같이, 아크릴계 점착성 수지층을 아조계 염료가 분산된 액(염료 분산액)에 함침 및 가열하여 아크릴계 점착성 수지층의 표면을 염색함으로써 염료층을 형성할 수 있다. 이때, 염료 분산액은 pH가 3 내지 4로 조절되고, 0.1 내지 1.0 중량%의 농도로 아조계 염료를 함유할 수 있으며, 염색시 가열 온도는 40 내지 100℃ 수준일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 광열 변환층은 절연성을 가져 태양전지부와 열전소자부간의 전기적 단락(shorting)을 방지할 수 있으며, 절연성 고분자가 아조계 염료에 염색되며 이 광자 흡수에 의해 근적외선 대역의 광을 흡수하고 흡수된 광 에너지의 비 방사성 이완을 통해 열이 생성될 수 있다. 또한, 광열 변환층은 절연성 고분자 필름을 염료 분야에서 흔하게 사용되는 아조계 염료로 염색하는 단순한 방법을 통해 제조 가능함에 따라, 낮은 비용으로 단시간에 대량 생산 가능하여 우수한 상업성을 가질 수 있다. 또한, 광열 변환층이 아조계 염료로 염색된 절연성 고분자층이라는 수 마이크로미터 수준의 얇은 유기막으로 구현될 수 있음에 따라, 광열 변환층이 매우 낮은 열 저항(thermal resistance)을 가질 수 있다. 일 예로, 광열 변환층의 두께는 1 내지 10μm 수준, 구체적으로 2 내지 8μm 수준일 수 있으나, 본 발명이 광열 변환층의 두께에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 광열 변환층은 0.5Wm-1K-1 이하의 열 저항을 가질 수 있으며, 구체적으로 0.4 Wm-1K-1 이하의 열 저항, 보다 구체적으로 0.05 내지 0.3 Wm-1K-1 수준의 매우 낮은 열 저항을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구체예에 있어, 태양전지부는 페로브스카이트 태양전지, 염료 감응형 태양전지, 양자점 감응형 태양전지, 유기 태양전지, 화합물 반도체 태양전지 및 실리콘 태양전지에서 하나 이상 선택되는 태양전지를 포함할 수 있다. 구체적으로, 태양전지부는 다수개의 태양전지가 전기적으로 연결된 태양전지 모듈일 수 있으며, 태양전지 모듈을 이루는 태양전지는 광흡수체가 유/무기 페로브스카이트 화합물인 페로브스카이트 태양전지, 광흡수체가 염료인 염료 감응형 태양전지, 광흡수체가 무기 양자점인 양자점 감응형 태양전지, 광흡수체가 유기반도체인 유기 태양전지, 광흡수체가 CIS(Cu-In-(S, Se)), CIGS(Cu-In-Ga-(S, Se)), GaAs, CdTe등의 화합물 반도체인 화합물 반도체 태양전지 또는 실리콘 태양전지일 수 있다. 각 태양전지는 광흡수체에서 발생하는 광 전하 중 광정공을 수집하는 광 양극, 광 전하 중 광전자를 수집하는 광 음극, 광 전하의 이동을 위한 전하이동층(charge transfer layer)이나 염료나 양자점이 담지되는 다공성 지지체등, 해당 태양전지에 기 알려진 구조를 가질 수 있다. 다만, 광흡수체에서 흡수되지 못한 광이 태양전지부를 통과하여 광열 변환층에서 열로 전환됨에 따라, 태양전지부에 구비되는 태양전지는 박막형 실리콘 태양전지나, 페로브스카이트 태양전지, 유기 태양전지, 염료감응 태양전지등과 같이 얇은 박막형 태양전지인 것이 좋다.
일 구체예에 있어, 열전소자부는 서로 이격 배열된 하나 이상의 N형 열전소재 기둥 및 P형 열전소재 기둥을 포함하는 열전소재 기둥 어레이, 열전소재 기둥 어레이 일 단과 결합하는 제1전극, 및 열전소재 기둥 어레이의 타 단과 결합하는 제2전극을 포함할 수 있다.
구체적으로, 열전소재 기둥 어레이는 N형 열전소재 기둥과 P형 열전소재 기둥이 교번 이격 배열된 구조일 수 있으며, 제1전극과 제2전극에 의해 서로 인접하는 N형 열전소재 기둥과 P형 열전소재 기둥이 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.
N형 열전소재 및/또는 P형 열전소재는 열적 구배에 의해 전압차가 생성되는 물질이면 무방하며, 통상적인 열전소자에서 사용되는 N형 열전소재 및/또는 P형 열전소재면 무방하다. 대표적으로, P형 열전소재로 안티몬-텔루륨계(SbxTe1-x) 또는 비스무스-안티몬-텔루늄계(BiySb2-yTe3) 화합물(x는 0 ≤ x ≤ 1, y는 0 ≤ y ≤ 2)등을 들 수 있으며, N형 열전소재로 비스무스-텔루륨계(BixTe1-x) 또는 비스무스-텔레늄-셀레늄계(Bi2Te3-ySey) 화합물(x는 0 ≤ x ≤ 1일 수 있으며, y는 0 ≤ y ≤ 2)등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
열전소재의 크기 및 형상은, 열전소자의 용도를 고려하여 적절히 설계될 수 있다. 구체적인 일 예로, N형 및 P형 열전소재는 서로 동일 내지 상이한 형상과 크기를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, N형 및 P형 열전소재는 서로 독립적으로, 판형상 내지 기둥형상일 수 있으며, 두께나 길이 방향으로의 단면이 원형, 타원형 등의 곡선을 가진 형상이거나 삼각형, 사각형, 오각형 등의 각진 형상일 수 있으나 이에 제한받지 않는다. N형 또는 P형 열전소재의 두께는 수십 μm 오더 내지 수십 mm 오더의 두께를 가질 수 있다. 또한, N형 또는 P형 열전소재 기둥의 단면적은 수백 제곱 μm2 오더 내지 수 제곱 cm2 오더의 면적을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명이 열전소재의 물리적 형상이나 크기에 의해 한정되는 것은 아니다. N형 또는 P형 열전소재의 전기전도도는 1.0X104 S/m 이상일 수 있고, 바람직하게 1.0X105 S/m 이상일 수 있으며, 비한정적으로 1.0X107 S/m 이하일 수 있다.
일 구체예에 따른 발전 장치는 열전소자부의 상기 제1전극과 제2전극 중, 저온측에 위치하는 전극이 양(+)의 단자로 인출되며, 태양전지부의 수광측에 위치하는 전면전극이 음(-)의 단자로 인출될 수 있다. 그러나, 본 발명이 4-터미날 구조를 배제하는 것은 아니다.
일 구체예에 따른 발전 장치에 있어, 열전소자부의 제1전극과 제2전극 중, 고온측에 위치하는 전극이 광열 변환층에 직접 접하여 위치할 수 있으며, 이와 함께 또는 이와 독립적으로, 태양전지부의 수광측의 대향면에 위치하는 전극(후면 전극)이 광열 변환층에 직접 접하여 위치할 수 있다.
도 1은 염료로 염색되지 않은 아크릴 양면 점착 테이프(이하 Control), 비아조계 흑색 염료(CAS# 6363-84-4, C. I. Basic Black 7)로 염색된 아크릴 양면 점착 테이프(이하, Black), 양이온성 모노아조계 흑색 염료(CAS# 61814-68-4, C. I. Basic Black 3)로 염색된 아크릴 양면 점착 테이프인 광열 변환층(이하, AZO)을 관찰한 광학사진 및 그 표면을 관찰한 주사전자현미경 사진(Top)이다. 추가로, AZO의 경우 단면을 관찰한 주사전자현미경-전자후방산란 이미지(SEM-BSE, cross-section)를 더 도시하였다.
상세하게, Control로 아크릴 양면 점착 테이프(acrylic double sided tape, 두께=5 μm, 제조사: 3M 제품번호: 3M™ Electronic Double Sided Tapes 82600)를 이용하였다. Black과 AZO 샘플은 각각, 해당 염료를 40 ℃의 증류수에 0.5 중량%로 희석한 후, 희석된 염료 용액을 1℃/min의 승온 속도로 100 ℃까지 가온하면서 아세트산을 첨가하여 용액의 pH를 3 내지 4가 되도록 하였다. 이후, 용액에 아크릴 양면 점착 테이프(Control)를 침지시키고 동일한 온도(100 ℃)로 40분동안 유지한 후, 천천히 상온으로 온도를 내린 다음, 탈 이온수로 세척하여 Black과 AZO 샘플을 제조하였다. 광학 현미경을 이용한 관찰을 통해, 아크릴 양면 점착 테이프 표면이 균질하게 흑색을 띄며 고르게 염색된 것을 확인하였으며, 주사전자현미경-전자후방산란 관찰을 통해 염료로 염색된 아크릴 점착층 표면의 두께가 약 1μm임을 확인하였다.
도 2는 Control 샘플, Black 샘플, 일 실시예에 따라 제조된 광열 변환층인 AZO 샘플 각각의 열전 특성을 측정 도시한 도면이다. 광 조사 각 샘플의 열전 특성은 솔라 시뮬레이터를 이용하여 각 샘플에 스탠다드 AM 1.5G로 태양광을 조사하고, 열화상 카메라(pyrometer)로 각 샘플의 평형 상태(steady state)의 온도를 측정하여 수행하였다. 이때, 열전 특성이 측정되는 측정 공간은 25 ℃로 유지되었다. 도 2에서, 도 2(a)는 평형 상태에서 각 샘플을 관찰한 열화상 카메라 이미지이며, 도 2(b)는 광조사 시간에 따른 각 샘플의 온도를 측정 도시한 도면이다.
도 2에서 알 수 있듯이, 단순 양면 아크릴 점착 테이프인 Control의 경우 31℃의 평형 온도를 가지며, 비 아조계 흑색 염료로 염색된 양면 아크릴 점착 테이프인 Black의 경우 40℃의 평형 온도를 가지나, 본 발명의 일 실시예에 따른 AZO 샘플의 경우 평형 상태의 온도가 55.4℃에 이름을 확인하였으며, 수지가 아조계 염료로 염색되며, 광열변환효율이 현저하게 증가한 것을 확인하였다.
도 3은 Control, Black, 및 AZO의 근적외선 대역의 파장별 광흡수도를 측정 도시한 도면이다. 도 3에서 알 수 있듯이, 투명한 Control과 비 아조계 흑색 염료로 염색된 Control 샘플은 근적외선 대역 전 영역에서 흡수율이 매우 낮은 것을 알 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 AZO 샘플의 경우 900nm 부근에서 약 0.6의 높은 흡수도를 가지며 900-2000nm 전 영역에서 평균 0.5 이상의 흡수도를 가짐을 알 수 있다.
도 4는 Control, Black, 및 AZO 샘플 각각의 푸리에 변환 적외선 (FT-IR) 분광 분석 스펙트럼을 도시한 도면이다. 도 4의 보라색 선으로 도시한 바와 같이, control의 경우 아크릴계 점착 성분에 의해 C=C 결합의 C-H 신축 주파수 피크가 약 3000cm-1 부근에서 나타나며, 카르보닐기(C=O)의 신축 주파수 피크가 약 1710 cm-1 부근에 나타남을 알 수 있다. 아조계 염료로 염색된 AZO 샘플에서 새로이 나타나는 피크는 1000cm-1 부근의 피크들과 1400cm-1 부근의 피크로, 1000cm-1 부근의 피크들은 통상적인 흑색 안료가 갖는 작용기에 의한 피크들이다. 1400cm-1 부근의 피크는 -OCH3 기를 갖는 방향족 고리가 R' 치환기에 결합된 아조 염료의 N=N 스트레칭 주파수에 의한 것으로, 알려진 바와 같이 아조 염료가 아크릴과 화학적으로 결합되면 -OCH3 작용기를 형성한다.
도 5는 1064nm 레이저를 Control, Black, 및 AZO 샘플에 각각 조사하되, 조사되는 레이저 빔의 파워(I)에 따른 발광 스펙트럼을 측정 도시한 도면(도 4(a)~(e)) 및 샘플별 레이저 빔의 파워에 따른 최대 발광 피크의 강도를 도시한 도면(도 4(f))이다.
도 5에서 알 수 있듯이, Control, Black, 및 AZO 샘플 모두 실질적으로 동일한 발광 스펙트럼을 나타냄을 알 수 있다. 그러나, 도 5(f)의 레이저 빔의 파워에 따른 최대 발광 피크의 강도를 살피면, Control, Black의 경우 레이저 파워와 최대 발광 피크 강도가 직선적으로 증가하나, AZO의 경우 Control이나 Black과는 전혀 다른 양상을 나타냄을 알 수 있으며, 최대 발광 피크 강도가 레이저 파워에 이차 종속적(quadratic dependence)임을 알 수 있다. 이러한 이차 종속은 이 광자 흡수의 전형적인 형태이다. 도 5(f)를 통해 Control, Black의 경우 일 광자 흡수에 의해 근적외선 광이 흡수되는 것을 알 수 있으며, AZO의 경우 고분자에 결합된 아조계 염료의 디아조 결합(-N=N-)에 의해, 고분자 금지대 중간에 가상의 에너지 레벨이 형성된 것처럼 작용하여 이 광자 흡수를 통해 근적외선 광(포톤)이 흡수됨을 알 수 있다. 또한, 도 5의 발광 스펙트럼을 통해, 이 광자 흡수에 의해 흡수된 에너지(여기된 에너지)가 고분자 체인으로 이송됨을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 광열 변환층은 아조계 염료의 도움으로 이광자 흡수에 의해 근적외선 대역의 광을 흡수하고, 고분자의 LUMO 레벨보다 높은 에너지로 여기된 전자는 고분자의 LUMO 레벨에 이르기까지 비 방사성 이완을 통해 에너지를 방출하며, 이 과정에서 고분자 체인은 진동과 스트레칭을 통해 열을 생성하고, 고분자의 LUMO 레벨에 도달한 전자는 고분자의 HOMO 레벨로 떨어지며 광을 발생시킴을 알 수 있다.
도 6은 양면수광형(bifacial) c-Si 모듈을 태양전지부로 하고 P형 열전소재(Bi0.5Sb1.5Te3) 기둥(2mmX2mmX5mm)과 N형 열전소재(조성 : Bi2Te2.7Se0.3) 기둥(2mmX2mmX5mm)이 이격 배열(이격거리 종=3mm, 횡=3.5mm)되고 P형 열전소재 기둥과 N형 열전소재 기둥이 직렬 연결되도록 인접하는 기둥 양단이 전극으로 연결된 열전소자 모듈을 열전소자부로 하고, 도 1 내지 5의 AZO와 동일한 광열 변환층을 태양전지부와 열전소자부 사이에 위치시키고 광열 변환층에 의해 태양전지부와 열전소자부를 결착시킴으로써 제조된 융합형 발전 장치를 관찰한 광학 사진이다. 제조된 융합형 발전 장치의 활성 면적은 7.9 X 6.5 cm2 이었으며, 장치의 활성 면적과 동일 크기의 광열 변환층의 열 저항(두께 방향의 열 저항)은 0.2 Wm-1K-1이었다. 사용된 양면수광형(bifacial) c-Si 모듈은 n+ 측에 스탠다드 AM 1.5G의 태양광을 조사할 때, 약 0.61V의 개방 회로 전압, 1.78A의 단락 전류, 78 %의 필 팩터, 약 16.4 %의 광전변환효율을 가졌다. 장치에 사용된 열전소자부의 제벡 계수는 18.8 mV K-1이었다.
비교를 위해, 광열 변환층으로 AZO 대신, 도 1 내지 5의 Control 또는 Black을 사용하여 태양전지부와 열전소자부를 결착시켜 발전장치를 제조하였다. 이하, 일 실시예에 따라 제조된 발전장치는 PV+TE(AZO)로, Control을 이용하여 제조된 발전장치는 PV+TE(Control)로, Black을 이용하여 제조된 발전장치는 PV+TE(Black)으로 지칭한다.
제조된 발전장치의 발전 효율을 측정하기 위해, 태양전지 모듈 측에 스탠다드 AM 1.5G로 태양광을 조사하며 출력을 측정하였다. 이때, 장치의 최 하부에 위치하는 열전소자부의 저온 측은 수냉장치를 이용하여 25℃로 유지되었다. 또한 비교를 위해 PV+TE(AZO), PV+TE(Control), PV+TE(Black)의 발전 특성과 함께, 열전소자부와 융합되지 않은 양면수광형(bifacial) c-Si 모듈 자체(이하, PV only)의 발전 특성 또한 함께 측정하였다.
도 7은 PV+TE(AZO), PV+TE(Control), PV+TE(Black) 및 PV only의 전류 전압 특성을 측정 도시한 도면이며, 도 8은 PV+TE(AZO), PV+TE(Control), PV+TE(Black) 및 PV only의 전력-전압 특성을 특정 도시한 도면이다.
도 7에서 알 수 있듯이, PV+TE(AZO)는 증가된 광열 변환 성능에 의해 개방 회로 전압이 증가함을 알 수 있다. 상세하게, PV+TE(AZO)의 경우 PV only에 비해 개방회로 전압이 약 0.34V 증가함을 알 수 있다. 이러한 개방 회로 전압의 증가량은 태양전지부에서 음의 온도 계수에 의해 야기되는 감소분과 열전소자부에서 온도차에 의해 증가된 증가분이 모두 반영된 것으로, 태양전지부에서의 감소분이 열전소자부의 증가분에 의해 모두 상쇄된 것이다. PV+TE(Control)의 경우 PV only에 비해 개방회로 전압이 약 0.22V 증가함을 알 수 있으며, PV+TE(Black)의 경우 PV only에 비해 개방회로 전압이 약 0.28V 증가하여, PV+TE(AZO) 대비 개방회로 전압 증가분이 상대적으로 미미함을 알 수 있다.
출력 전압을 통해 열전소자부 양단의 온도 차이를 도출한 결과, PV+TE(AZO)의 경우 아조 염료에 의해 염색된 광열 변환층에 의해 열전소재 기둥 양단의 온도차가 18K에 이름을 알 수 있으며, 이는 PV+TE(Control)의 경우 온도차보다 약 6.4K가 더 높은 수치이다. 이를 통해 PV+TE(AZO)가 향상된 광열 변환 성능에 의해 열전소자부 양 단의 온도 차가 크게 증가했음을 알 수 있다.
또한, 도 8의 전력-전압 특성을 통해 알 수 있듯이, PV+TE(AZO)의 최대 출력 전력은 PV only의 최대 출력 전력보다 0.32W 더 큰 것을 알 수 있으며, 이러한 출력 전력(0.32W)의 증가는 광전변환효율(PCE)이 22.5% 증가한 것에 해당한다.
또한, PV+TE(AZO)의 출력 전력은 PV+TE(Control)의 출력 전력 대비 16% 증가되고, PV+TE(Black)의 출력 전력 대비 7.4% 증가되었다. PV+TE(AZO)는 22.4mWcm-2의 전력 밀도를 나타냈으며, 1.15W의 총 전력(overall power)을 생성하였다. 태양전지부에 있어 열전소자부는 전압원임과 동시에 저항 요소로 작용한다. 이에, PV+TE(AZO)의 전류-전압 특성에서 열전소자부의 내부 저항에 의해 필 팩터가 감소함을 알 수 있으나, 열전소자부에 의해 생성된 개방회로전압이 발전 장치의 개방회로전압을 증가시킴에 따라, 최대 출력 전력이 증가함을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (14)

  1. 태양전지부;
    상기 태양전지부 하부에 위치하는 열전소자부; 및
    상기 태양전지부와 열전소자부 사이에 위치하며, 이 광자 흡수(two photon absorption)에 의해 태양전지부를 통과하여 열전소자부 쪽으로 입사되는 광을 흡수하는 광열 변환층(photothermal conversion layer);을 포함하는 발전장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광열 변환층은 절연성 고분자; 및 아조계 염료;를 함유하는 발전장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 광열 변환층은 절연성 고분자층; 및 상기 절연성 고분자층에 표면 코팅된 아조계 염료층을 포함하는 발전장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 광열 변환층은 점착성을 갖는 발전장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 아조계 염료는 모노아조계 흑색 염료를 포함하는 발전장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 절연성 고분자는 아크릴계 고분자를 포함하는 발전장치.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 아조계 염료층의 두께는 0.1 내지 2.0μm인 발전장치.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 광열 변환층은 광흡수 스펙트럼상 900nm 내지 1500nm 파장 영역에서파장별 흡수도(spectral absorptivity)가 0.5 이상인 발전장치.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 광열 변환층의 열 저항(thermal resistance)은 0.5Wm-1K-1 이하인 발전장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 태양전지부는 페로브스카이트 태양전지, 염료 감응형 태양전지, 양자점 감응형 태양전지, 유기 태양전지, 화합물 반도체 태양전지 및 실리콘 태양전지에서 하나 이상 선택되는 태양전지를 포함하는 발전장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 열전소자부는 서로 이격 배열된 하나 이상의 N형 열전소재 기둥 및 P형 열전소재 기둥을 포함하는 열전소재 기둥 어레이, 상기 열전소재 기둥 어레이 일 단과 결합하는 제1전극, 및 상기 열전소재 기둥 어레이의 타 단과 결합하는 제2전극을 포함하는 발전장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 발전장치는 상기 열전소자부의 상기 제1전극과 제2전극 중, 저온측에 위치하는 전극이 양(+)의 단자로 인출되며, 상기 태양전지부의 수광측에 위치하는 전면전극이 음(-)의 단자로 인출되는 발전장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 열전소자부의 상기 제1전극과 제2전극 중, 고온측에 위치하는 전극이 상기 광열 변환층에 직접 접하는 발전장치.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 N형 열전소재는 Bi-Te계 또는 Bi-Te-Se계이며, 상기 P형 열전소재는 Sb-Te계 또는 Bi-Sb-Te계인 발전장치.
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