KR20210152867A - 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자 - Google Patents

광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자 Download PDF

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KR20210152867A
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전북대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 염료감응형 태양전지, 전기변색소자 및 리튬이차전지의 기능이 하나의 소자에 융합되어 작동하는 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자에 관한 것이다. 본 발명에 따른 일체형 융합소자는 염료감응형 태양전지(DSSC)의 활성층으로 사용되는 광전극, 광전극의 반대극으로 전기변색층으로 사용되는 대향전극, 및 리튬염을 함유하는 전해액을 포함한다. 본 발명에 따른 일체형 융합소자는 태양광 에너지를 받아 전자를 생산하는 염료감응형 태양전지(DSSC)의 기능과, 생산한 전자를 활용해서 전극을 변색하여 빛을 차단하는 전기변색소자(ECD)의 기능, 및 생산한 전자를 저장했다가 다시 꺼낼 쓸 수 있는 리튬이차전지(LIB)의 기능을 하나의 소자로 모두 구현이 가능하다.

Description

광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자{Photovoltaic-electrochromic-battery all-in-one device}
본 발명은 전자 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 염료감응형 태양전지, 전기변색소자 및 리튬이차전지의 기능이 하나의 소자에 융합되어 작동하는 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자에 관한 것이다.
산업화가 진행되고 경제적인 수준이 향상됨에 따라 청정, 무한한 자원인 태양광 에너지 사용의 필요성이 증가하고 있다. 태양광 에너지는 사회적으로 환경오염의 주범이 되고 있는 화석 연료를 대신할 에너지원으로 주목받고 있다. 태양광 에너지를 활용한 다양한 소자, 예컨대 태양전지, 전기변색소자 등에 대한 개발 및 연구가 활발히 진행되고 있다.
최근에는 태양광 에너지를 기반으로 하여, 에너지 생산과 저장이 가능한 융합소자에 대한 개발 및 연구도 진행되고 있다. 융합소자는 능동형 RFID, 센서, 디스플레이, 스마트 윈도우 등에 활용되고 있다.
융합소자로는 태양전지와, 전기변색소자, 이차전지 및 슈퍼커패시터와 같은 전기화학 반응을 이용하는 소자가 융합된 형태를 갖는다. 기존의 융합소자는 에너지 생산과 저장 소자 간에 물리적 결합을 통해 구성되기 때문에, 외부 회로 접촉 부분을 통한 저항이 발생하여 효율성이 떨어진다.
최근에는 이중 기능을 갖는 융합소자, 예컨대 태양전지/전기변색소자, 전기변색소자/슈퍼커패시터, 전기변색소자/이차전지가 소개되고 있지만, 한 기능이 작동할 때 다른 기능은 사용이 어려운 단점을 가지고 있다.
한국공개특허공보 제10-2017-0044982호에는 이차전지 기능 복합형 전기변색 소자로서, 태양전지, 전기변색소자 및 이차전지의 기능이 복합된 소자를 개시하고 있다. 하지만 이차전지 기능 복합형 전기변색 소자는 태양전지, 전기변색소자 및 이차전지가 동일 평면 상에 수평 방향으로 배열된 구조를 갖기 때문에, 융합소자이기는 하지만 소자의 면적의 커지는 문제를 가지고 있다. 또한 이차전지 기능 복합형 전기변색 소자는 세가지 기능을 구현하기는 하지만, 전기변색소자가 단독으로 동작하기 때문에 단일 소자와 같이 하나의 구조에서 세가지 기능을 구현하지는 못한다.
공개특허공보 제10-2017-0044982호 (2017.05.02.)
따라서 본 발명의 목적은 단일 소자와 같이 하나의 구조에서 세가지 기능을 구현할 수 있는 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 낮에는 태양광 에너지를 받아 전기에너지를 생산하면서 적외선을 차단하여 에너지 효율을 높이고, 밤에는 저장된 전기에너지를 사용할 수 있도록 하여 에너지 절약 효과를 극대화시킬 수 있는 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일면에 염료가 코팅된 금속산화물을 함유하는 활성층이 형성된 광전극; 상기 광전극과 대향하며, 상기 활성층에 마주보는 면에 전기변색층이 형성된 대향전극; 및 상기 광전극과 대향전극 사이에 충전되는 리튬염을 함유하는 전해액;을 포함하는 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자를 제공한다.
상기 광전극은 일면에 반대되는 타면으로 입사되는 태양광 에너지로 상기 활성층이 전자를 생산하여 외부의 충전 회로를 통해 상기 대향전극에 제공한다.
상기 대향전극의 전기변색층은 전자를 저장하는 동시에 전기변색한다.
상기 광전극과 상기 대향전극 간에 외부의 방전 회로를 통해 부하가 연결되면, 상기 전기변색층에 저장된 전자가 상기 방전 회로를 통해 상기 부하로 제공된다.
상기 광전극은, 광투과성을 갖는 제1 투명 기판; 상기 대향전극과 마주보는 상기 제1 투명 기판의 일면에 형성된 제1 투명 전극층; 및 상기 제1 투명 전극층 위에 형성된 상기 활성층;을 포함한다.
상기 활성층은 염료가 Ru-dye이고, 금속산화물이 티타늄산화물(TiO2)일 수 있다.
상기 활성층은 상기 제1 투명 전극층 위에 염료가 코팅된 금속산화물을 스크린 프린팅하여 형성할 수 있다.
상기 대향전극은, 광투과성을 갖는 제2 투명 기판; 상기 광전극과 마주보는 상기 제2 투명 기판의 일면에 형성된 제2 투명 전극층; 및 상기 제2 투명 전극층 위에 형성된 상기 전기변색층;을 포함한다.
상기 전기변색층은 텅스텐산화물(WO3)층과 백금(Pt)층이 적층된 구조를 가질 수 있다.
상기 전기변색층은, 상기 제2 투명 전극층 위에 전착(electro-deposition)하여 형성된 텅스텐산화물(WO3)층; 및 상기 텅스텐산화물(WO3)층 위에 스퍼터링으로 형성된 백금(Pt)층;을 포함할 수 있다.
그리고 상기 리튬염은 LiI, LiCl, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2x+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임) 및 LiSO3CF3로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자는 염료감응형 태양전지(DSSC)의 활성층으로 사용되는 광전극, 광전극의 반대극으로 전기변색층으로 사용되는 대향전극, 및 리튬염을 함유하는 전해액을 포함함으로써, 태양광 에너지를 받아 전자를 생산하는 염료감응형 태양전지(DSSC)의 기능과, 생산한 전자를 활용해서 전극을 변색하여 빛을 차단하는 전기변색소자(ECD)의 기능, 및 생산한 전자를 저장했다가 다시 꺼낼 쓸 수 있는 리튬이차전지(LIB)의 기능을 하나의 소자로 모두 구현이 가능하다.
본 발명에 따른 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자는 광전극을 통해서 전자를 생산하고, 생산한 전자를 대향전극에 저장하는 동시에 대향전극의 전기변색을 통해서 태양광을 차단하여 열 보존 효과를 얻을 수 있다.
이로 인해 본 발명에 따른 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자는 낮에는 태양광 에너지를 받아 전기에너지를 생산하면서 적외선을 차단하여 에너지 효율을 높이고, 밤에는 저장된 전기에너지를 사용할 수 있도록 하여 에너지 절약 효과를 극대화시킬 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자는 태양광에 대한 노출 빈도가 높은 건물의 창호, 선박, 항공기 또는 자동차 등의 유리, 가변형 투명 디스플레이, 능동형 RFID, 센서 등 다양한 제품에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자를 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 융합소자가 태양광 에너지를 받아 전기에너지를 생산하여 저장하고 전기변색하는 상태를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1의 융합소자가 저장된 전기에너지를 사용하는 상태를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자의 전기변색 성능 평가 결과를 보여주는 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자의 전기변색 성능 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자의 태양전지 성능 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자의 배터리 성능 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면 본 실시예에 따른 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자(100)(이하 '일체형 융합소자'라고 함)는 태양광 에너지(80)를 받아 전자를 생산하는 염료감응형 태양전지(DSSC)의 기능, 생산한 전자를 활용해서 전극을 변색하여 빛을 차단하는 전기변색소자(ECD)의 기능, 및 생산한 전자를 저장했다가 다시 꺼낼 쓸 수 있는 리튬이차전지(LIB)의 기능을 하나의 소자로 모두 구현하는 융합소자이다.
이러한 본 실시예에 따른 일체형 융합소자(100)는 광전극(10), 대향전극(20) 및 전해액(30)을 포함한다. 광전극(10)은 일면에 염료(17)가 코팅된 금속산화물(19)을 함유하는 활성층(15)이 형성된다. 대향전극(20)은 광전극(10)과 대향하며, 활성층(15)에 마주보는 면에 전기변색층(25)이 형성되어 있다. 그리고 전해액(30)은 광전극(10)과 대향전극(20) 사이에 충전되는 리튬염을 함유한다. 그 외 본 실시예에 따른 일체형 융합소자(100)는 봉합층(40)을 더 포함할 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 일체형 융합소자(100)의 각 구성에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
광전극(10)은 염료감응형 태양전지(DSSC)의 활성층(15)을 포함한다. 광전극(10)은 리튬이차전지의 음극으로 사용된다. 활성층(15)은 음극의 음극활물질 기능을 함께 수행한다. 이러한 광전극(10)은 제1 투명 기판(11), 제1 투명 전극층(13) 및 활성층(15)을 포함한다. 제1 투명 기판(11)은 광투과성을 갖는다. 제1 투명 전극층(13)은 대향전극(20)과 마주보는 제1 투명 기판(11)의 일면에 형성된다. 그리고 활성층(15)은 제1 투명 전극층(13) 위에 형성된다.
여기서 제1 투명 기판(11)으로는 광투과성을 갖는 투명 무기 기판 또는 투명 플라스틱 기판이 사용될 수 있다. 투명 무기 기판의 소재로는 유리 또는 석영이 사용될 수 있다. 투명 플라스틱 기판의 소재로는 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET; polyethylene terephthalate), 폴리프로필렌, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN; polyethylene naphathalate) 등이 사용될 수 있다.
제1 투명 전극층(13)은 광전극(10)의 집전층으로서, 광투과성을 갖는 집전층이다. 이러한 제1 투명 전극층(13)의 소재로는 인듐틴옥사이드(ITO), 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등이 사용될 수 있다.
그리고 활성층(15)은 염료(17)가 코팅된 금속산화물(19)을 함유한다. 활성층(15)은 제1 투명 전극층(13) 위에 염료(17)가 코팅된 금속산화물(19)을 스크린 프린팅하여 형성할 수 있다.
염료(17)는 태양광을 흡수함으로써 기저상태에서 여기상태로 전자 전이하여 전자-정공(홀) 쌍을 이루게 되며, 여기상태의 전자는 활성층(15)으로 주입된 후 제1 투명 전극층(13)으로 이동하여 기전력을 발생하게 된다.
이러한 염료(17)로는 태양전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 아무 제한 없이 사용할 수 있으나, Ru-dye와 같은 루테늄착물이 사용될 수 있다. 그 외 Ru-dye 이외의 염료(17)로는 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소, 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소, 페노사프라닌, 카르비블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료, 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물, 기타 아조 색소, 프탈로시아닌 화합물, Ru 트리스비피리딜 등의 착화합물, 안트라퀴논계 색소, 다환퀴논계 색소 등이 사용될 수 있다. 전술한 염료(17)는 단독 또는 두가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
금속산화물(19)로는 티타늄 산화물(TiO2), 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 사용할 수 있다. 금속산화물(19)로는 주로 티타늄 산화물이 사용된다.
예컨대 활성층(15)은 염료(17)가 Ru-dye이고, 금속산화물(19)이 티타늄산화물(TiO2)일 수 있다.
대향전극(20)은 전기변색, 이온저장 및 염료감응형 태양전지(DSSC)의 반대극 기능을 담당한다. 이러한 대향전극(20)은 광투과성을 갖는 제2 투명 기판(21), 제2 투명 전극층(23) 및 전기변색층(25)을 포함한다. 제2 투명 전극층(23)은 광전극(10)과 마주보는 제2 투명 기판(21)의 일면에 형성된다. 그리고 전기변색층(25)은 제2 투명 전극층(23) 위에 형성된다.
제2 투명 기판(21) 및 제2 투명 전극층(23)의 소재로는 제1 투명 기판(11) 및 제1 투명 전극층(13)으로 사용되는 소재가 사용될 수 있다.
전기변색층(25)은 텅스텐산화물(WO3)층(27)과 백금(Pt)층(29)이 적층된 구조를 갖는다. 텅스텐산화물(WO3)층(27)은 전기변색 및 이온저장(양극활물질)의 기능을 담당한다. 그리고 백금(Pt)층(29)은 염료감응형 태양전지(DSSC)의 반대극 기능을 담당하는 층으로서, 염료감응형 태양전지(DSSC)의 촉매반응을 유도한다.
이러한 전기변색층(25)은 제1 투명 전극층(13) 위에 텅스텐산화물(WO3)을 전착(electro-deposition)하여 텅스텐산화물(WO3)층(27)을 형성한 후, 텅스텐산화물(WO3)층(27) 위에 스퍼터링으로 백금(Pt)을 증착하여 백금(Pt)층(29)을 형성하여 제조할 수 있다.
한편 본 실시예에 따른 전기변색층(25)은 텅스텐산화물(WO3)층(27) 위에 백금(Pt)층(29)이 형성된 구조로 예시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 전기변색층(25)은 백금(Pt)층(29) 위에 텅스텐산화물(WO3)층(27)이 형성된 구조를 가질 수 있다.
전해액(30)은 광전극(10)과 대향전극(20) 사이에 이온 이동을 가능하도록 한다. 이러한 전해액(30)은 용매와 전해질인 리튬염을 포함한다. 전해액(30)은 리튬이온의 삽입/탈리와, 리튬염에 포함된 음이온의 산화ㅇ환원을 통하여 충방전을 수행한다.
여기서 용매로는 에틸렌 카보네이트(EC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 설포란, γ-부틸로락톤, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 1,2-디메톡시 에탄, 또는 테트라하이드로푸란이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
리튬염으로는 LiI, LiCl, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2x+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임) 및 LiSO3CF3로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나가 사용될 수 있다.
그리고 봉합층(40)은 광전극(10)과 대향전극(20)의 마주보는 가장자리 부분을 따라서 형성되어, 광전극(10)과 대향전극(20) 사이에 충전된 전해액(30)이 누액되는 것을 방지한다.
이와 같은 본 실시예에 따른 일체형 융합소자(100)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 염료감응형 태양전지(DSSC)의 기능과, 생산한 전자를 활용해서 전극을 변색하여 빛을 차단하는 전기변색소자(ECD)의 기능, 및 생산한 전자를 저장했다가 다시 꺼낼 쓸 수 있는 리튬이차전지(LIB)의 기능을 수행할 수 있다.
도 2는 도 1의 일체형 융합소자(100)가 태양광 에너지(80)를 받아 전기에너지를 생산하여 저장하고 전기변색하는 상태를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 광전극(10)과 대향전극(20)이 외부의 충전 회로(50)를 통해 연결되는 경우, 광전극(10)은 일면에 반대되는 타면으로 입사되는 태양광 에너지(80)로 활성층(15)이 전자를 생산하여 외부의 충전 회로(50)를 통해 대향전극(20)에 제공한다. 대향전극(20)은 전기변색층(25)이 전자를 저장하는 동시에 전기변색한다.
도 3은 도 1의 일체형 융합소자(100)가 저장된 전기에너지를 사용하는 상태를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 광전극(10)과 대향전극(20)이 외부의 방전 회로(60)를 통해 부하(70)가 연결되는 경우, 전기변색층(25)에 저장된 전자가 방전 회로(60)를 통해 부하(70)로 제공한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 일체형 복합 소자는 염료감응형 태양전지(DSSC)의 활성층(15)으로 사용되는 광전극(10), 광전극(10)의 반대극으로 전기변색층(25)으로 사용되는 대향전극(20), 및 리튬염을 함유하는 전해액(30)을 포함함으로써, 태양광 에너지(80)를 받아 전자를 생산하는 염료감응형 태양전지(DSSC)의 기능과, 생산한 전자를 활용해서 전극을 변색하여 빛을 차단하는 전기변색소자(ECD)의 기능, 및 생산한 전자를 저장했다가 다시 꺼낼 쓸 수 있는 리튬이차전지(LIB)의 기능을 하나의 소자로 모두 구현이 가능하다.
본 실시예에 따른 일체형 융합소자(100)는 광전극(10)을 통해서 전자를 생산하고, 생산한 전자를 대향전극(20)에 저장하는 동시에 대향전극(20)의 전기변색을 통해서 태양광을 차단하여 열 보존 효과를 얻을 수 있다.
이로 인해 본 실시예에 따른 일체형 융합소자(100)는 낮에는 태양광 에너지(80)를 받아 전기에너지를 생산하면서 자외선을 차단하여 열손실을 억제하고, 밤에는 저장된 전기에너지를 사용할 수 있도록 하여 에너지 절약 효과를 극대화시킬 수 있다.
[일체형 융합소자의 전기변색, 태양전지 및 배터리 성능 평가]
이와 같은 본 실시예에 따른 일체형 융합소자(100)의 전기변색, 태양전지 및 배터리 특성을 확인하기 위해서, 실시예에 따른 시료를 제조한 후 전기변색, 태양전지 및 배터리 성능 평가를 진행하였다.
시료는 다음과 같이 제조하였다.
광전극 및 대향전극의 기판으로는 표면에 FTO층이 형성된 유리 기판을 사용하였다. 활성층으로는 표면에 Ru-dye이 코팅된 티타늄산화물(TiO2)을 사용하였다. 활성층은 표면에 Ru-dye이 코팅된 티타늄산화물(TiO2)을 유리 기판의 FTO층 위에 스크린 프린팅하여 제조하였다.
전기변색층으로는 Pt30/a-WO3 적층하여 사용하였다. 전기변색층은 유리 기판의 FTO층 위에 전착으로 비정질의 텅스텐산화물을 증착하여 a-WO3 층을 형성한 후, a-WO3 층 위에 30초 동안 백금(Pt)을 스퍼터링하여 Pt30 층을 형성하여 제조하였다.
그리고 광전극 및 대향전극 사이에 LiI를 포함하는 전해액을 충전할 수 있도록, 광전극과 대향전극의 가장자리 부분을 봉합층으로 봉합하여 본 실시예에 따른 시료를 제조하였다.
이와 같이 제조된 시료는 전체 크기가 2×2cm이고, 봉합층 안쪽의 크기가 1.3×1.3cm가 되도록 제조하였다. 즉 시료는 활성면적이 약 1cm2가 되도록 제조하였다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자의 전기변색 성능 평가 결과를 보여주는 사진이다. 그리고 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자의 전기변색 성능 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4에서 Pt30/WO3-stack은 시료의 전기변색층을 나타낸다. 도 5에서 TSP06//Iodyte//Pt30/WO3에 있어서, "TSP05"은 시료의 활성층을 나타내고, "Iodyte"은 LiI을 포함하는 전해액을 나타낸다. 그리고 "Pt30/WO3"는 전기변색층을 나타낸다.
Ex-situ coloration은 시료의 전기변색 성능 평가 방식을 나타낸다. 즉 시료의 전기변색 성능 평가는 시료에 태양광을 조사하기 전에 전기변색을 측정한 다음, 시료에 태양광을 조사한 후에 전기변색을 측정하는 방식으로 진행하였다.
시료는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 외부 전원의 인가 없이 태양광만을 조사해주면 2분내로 투과율 변화량이 41.8%로 변색되는 것을 확인할 수 있다. 즉 시료가 염료감응형 태양전지(DSSC)로서의 기능과 전기변색소자(ECD)로서의 기능을 수행하는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자의 태양전지 성능 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 시료는 태양전지로서 Jsc값이 9 mA/cm2이고, 태양광 효율은 1.35%로 측정되었다. 즉 시료가 염료감응형 태양전지(DSSC)로서의 기능을 수행하는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자의 배터리 성능 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 시료에 5분간 태양광을 조사하여 충전한 후 정전류법으로 1㎂의 부하를 걸어 방전용량을 측정하였을 때, 약 66.1 mAh/g의 무게당 방전용량을 갖는 이차전지로 구동됨을 확인할 수 있다. 즉 시료가 리튬이차전지(LIB)로서의 기능을 수행하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 시료는 활성면적이 약 1 cm2으로, 1sun의 태양광 에너지를 받아 염료감응형 태양전지(DSSC)의 기능으로 얻은 전자를 소비하여 전기변색소자(ECD)의 기능으로 변색률 41.8%를 보이고, 배터리 기능으로 단위 무게당 방전용량 66.1 mAh/g을 저장할 수 있는 성능을 보이는 것을 확인할 수 있다.
즉 본 실시예에 따른 일체형 융합소자는 태양광 에너지를 받아 전자를 생산하는 염료감응형 태양전지(DSSC)의 기능과, 생산한 전자를 활용해서 전극을 변색하여 빛을 차단하는 전기변색소자(ECD)의 기능, 및 생산한 전자를 저장했다가 다시 꺼낼 쓸 수 있는 리튬이차전지(LIB)의 기능을 하나의 소자로 모두 구현이 가능하다.
이와 같은 본 실시예에 따른 일체형 융합소자는 태양광에 대한 노출 빈도가 높은 건물의 창호, 선박, 항공기 또는 자동차 등의 유리, 가변형 투명 디스플레이, 능동형 RFID, 센서 등 다양한 제품에 적용 가능하며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 본 실시예에 따른 일체형 융합소자가 건물유리에 스마트 윈도우로 적용된다면, 태양광 에너지를 받아서 에너지를 절약할 수 있는 스마트 윈도우가 작동되고, 충분한 변색이 이루어진 이후로는 사용 가능한 형태로 에너지를 저장하여 작동전원으로서의 기능도 수행할 수 있다. 본 실시예에 따른 일체형 융합소자가 자동차 선루프 유리에 스마트 글라스로 적용된다면, 주간 주행 시 또는 야외 주차 시 외부전원 없이 스마트 글라스가 작동되어 열 및 자외선 차단 기능을 하며, 저장된 에너지는 자동차의 긴급전원으로 사용할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 광전극 11 : 제1 투명 기판
13 : 제1 투명 전극층 15 : 활성층
17 : 염료 19 : 금속산화물
20 : 대향전극 21 : 제2 투명 기판
23 : 제2 투명 전극층 25 : 전기변색층
27 : 텅스텐산화물(WO3)층 29 : 백금(Pt)층
30 : 전해액 40 : 봉합층
50 : 충전 회로 60 : 방전 회로
70 : 부하 80 : 태양광 에너지
100 : 일체형 융합소자

Claims (10)

  1. 일면에 염료가 코팅된 금속산화물을 함유하는 활성층이 형성된 광전극;
    상기 광전극과 대향하며, 상기 활성층에 마주보는 면에 전기변색층이 형성된 대향전극; 및
    상기 광전극과 대향전극 사이에 충전되는 리튬염을 함유하는 전해액;
    을 포함하는 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광전극은 일면에 반대되는 타면으로 입사되는 태양광 에너지로 상기 활성층이 전자를 생산하여 외부의 충전 회로를 통해 상기 대향전극에 제공하고,
    상기 대향전극의 전기변색층은 전자를 저장하는 동시에 전기변색하는 것을 특징으로 하는 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광전극과 상기 대향전극 간에 외부의 방전 회로를 통해 부하가 연결되면, 상기 전기변색층에 저장된 전자가 상기 방전 회로를 통해 상기 부하로 제공되는 것을 특징으로 하는 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광전극은,
    광투과성을 갖는 제1 투명 기판;
    상기 대향전극과 마주보는 상기 제1 투명 기판의 일면에 형성된 제1 투명 전극층; 및
    상기 제1 투명 전극층 위에 형성된 상기 활성층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 활성층은 염료가 Ru-dye이고, 금속산화물이 티타늄산화물(TiO2)인 것을 특징으로 하는 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 활성층은 상기 제1 투명 전극층 위에 염료가 코팅된 금속산화물을 스크린 프린팅하여 형성한 것을 특징으로 하는 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자.
  7. 제4항에 있어서, 상기 대향전극은,
    광투과성을 갖는 제2 투명 기판;
    상기 광전극과 마주보는 상기 제2 투명 기판의 일면에 형성된 제2 투명 전극층; 및
    상기 제2 투명 전극층 위에 형성된 상기 전기변색층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전기변색층은 텅스텐산화물(WO3)층과 백금(Pt)층이 적층된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전기변색층은,
    상기 제2 투명 전극층 위에 전착(electro-deposition)하여 형성된 텅스텐산화물(WO3)층; 및
    상기 텅스텐산화물(WO3)층 위에 스퍼터링으로 형성된 백금(Pt)층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 리튬염은 LiI, LiCl, LiPF6, LiBF4, LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiAlO4, LiAlCl4, LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2x+1SO2)(여기서, x 및 y는 자연수임) 및 LiSO3CF3로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전지-전기변색-배터리 일체형 융합소자.
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