KR20220159657A - 슁글드 구조 실리콘 태양전지를 포함하는 이산화탄소의 전기화학적 전환장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 슁글드(shingled) 구조의 태양전지를 포함하는 전원공급장치; 및 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전기화학 셀;을 포함하는 이산화탄소 전환장치에 관한 것으로, 본 발명의 슁글드 구조 실리콘 태양전지를 포함하는 이산화탄소의 전기화학적 전환장치는 전기화학 셀에 전력을 공급하는 장치로 하나의 실리콘 태양전지를 분할하여 사용함으로써, 전류·전압 특성을 최적화할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 슁글드 구조 실리콘 태양전지를 포함하는 이산화탄소의 전기화학적 전환장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기화학 셀에 전력을 공급하는 장치로 하나의 실리콘 태양전지를 분할하여 사용함으로써, 전류·전압 특성을 최적화할 수 있는 슁글드 구조 실리콘 태양전지를 포함하는 이산화탄소의 전기화학적 전환장치에 관한 것이다.
대기 중 온실가스 농도 증가로 인해 지구온난화, 기후변화, 이상기후가 지속적으로 가중되고 있다. 대표적 온실가스인 이산화탄소는 화력발전, 제철소, 화학공장 등에서 대량으로 발생된다. 아무런 기술적 조치를 취하지 않을 경우 2050년까지 이산화탄소가 62 Gton 수준으로 배출되어 인류는 지구온난화를 되돌릴 수 없는 지경에 이르게 될 것으로 관측되고 있다. 지구온난화를 완화시키기 위해서는 이산화탄소(CO2)의 대기방출이 획기적으로 줄어야만 한다.
종래의 이산화탄소(CO2)를 환원하기 위한 전기화학 셀에 태양광 패널로 전압을 공급하는 방법에 있어, 이산화탄소(CO2)를 원하는 탄소화합물로 환원할 수 있을 만큼 충분히 높은 전류밀도를 공급하기 위해서는 값비싼 재료(ex. GaInP/GaInAs/Ge triple-junction photovoltaic cell)의 태양광 패널을 이용하거나, 여러 개의 태양광 패널을 직렬연결하여 이산화탄소(CO2)를 전환하는 방법이 사용되었다. 그러나 이러한 방법은 태양-연료 변환효율(Solar-to-Fuel conversion efficiency)이 낮아 효율적으로 이산화탄소(CO2)를 환원할 수 없거나, 전력공급원인 태양광 패널이 너무 비싸 경제적이지 못한 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 전기화학 셀에 전력을 공급하는 장치로 하나의 실리콘 태양전지를 분할하여 사용함으로써, 단위면적당 전류·전압 특성을 최적화할 수 있는 슁글드 구조 실리콘 태양전지를 포함하는 이산화탄소의 전기화학적 전환장치를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은 슁글드 구조 실리콘 태양전지를 사용함으로써, 전력 변환 효율 및 접근성이 우수한 슁글드 구조 실리콘 태양전지를 포함하는 이산화탄소의 전기화학적 전환장치를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은 슁글드 구조 실리콘 태양전지를 사용함으로써, 소형화 및 집적화가 가능한 슁글드 구조 실리콘 태양전지를 포함하는 이산화탄소의 전기화학적 전환장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 슁글드(shingled) 구조의 태양전지를 포함하는 전원공급장치; 및 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전기화학 셀;을 포함하는 이산화탄소 전환장치가 제공된다.
상기 슁글드 구조의 태양전지가 복수 개의 태양전지 셀을 포함하고, 상기 복수 개의 태양전지 셀이 서로 접하는 영역을 형성하고, 슁글드(shingled) 구조로 배치될 수 있다.
상기 슁글드 구조의 태양전지가 복수 개의 태양전지 셀을 포함하고, 상기 복수 개의 태양전지 셀이 서로 접하는 영역을 형성하고, 상기 복수 개의 태양전지 셀을 직렬연결하면서 슁글드(shingled) 구조로 배치될 수 있다.
상기 슁글드 구조의 태양전지가 2 내지 10개의 상기 태양전지 셀을 포함할 수 있다.
상기 슁글드 구조의 태양전지가 4 내지 6개의 상기 태양전지 셀을 포함할 수 있다.
상기 슁글드 구조의 태양전지가 슁글드 구조의 실리콘(Si) 기반 태양전지일 수 있다.
상기 전기화학 셀에서, 상기 양극 및 음극이 각각 금속을 포함하고, 상기 금속은 은(Ag), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 아연(Zn), 팔라듐(Pd), 비스무트(Bi), 구리(Cu), 주석(Sn), 인듐(In), 수은(Hg), 및 납(Pb)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 양극에서, 상기 금속의 로딩량이 0.1 내지 10 mg/cm2 일 수 있다.
상기 양극에서, 상기 금속의 로딩량이 0.1 내지 5 mg/cm2 일 수 있다.
상기 전기화학 셀에서, 상기 분리막이 불소계 고분자, 이미다졸륨계 고분자 및 방향족 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 전기화학 셀이 전해질을 추가로 포함하고, 상기 전해질이 수산화칼륨(KOH), 및 탄산수소칼륨(KHCO3)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, (a) 슁글드(shingled) 구조의 태양전지를 포함하는 전원공급장치를 제조하는 단계; (b) 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전기화학 셀을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 전원공급장치와 및 전기화학 셀을 연결하여 이산화탄소 전환장치를 제조하는 단계;를 포함하는 이산화탄소 전환장치의 제조방법이 제공된다.
단계 (a)가 (a-1) 태양전지를 분할하여 복수의 태양전지 셀을 제조하는 단계; (a-2) 어느 하나의 상기 태양전지 셀과 다른 하나의 상기 태양전지 셀을 전도성 접착제로 연결하여 슁글드(shingled) 구조의 태양전지 스트링을 제조하는 단계; 및 (a-3) 어느 하나의 상기 슁글드 구조의 태양전지 스트링과 다른 하나의 상기 슁글드 구조의 태양전지 스트링을 전도성 환형 와이어로 연결하여 슁글드(shingled) 구조의 태양전지를 포함하는 전원공급장치를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
단계 (a-1)에서, 상기 분할이 레이저를 이용하여 수행될 수 있다.
단계 (a-1)에서, 상기 복수의 태양전지 셀이 2 내지 10개의 태양전지 셀일 수 있다.
단계 (a-2)가 130 내지 150℃의 온도에서 25 내지 35초 동안 수행될 수 있다.
단계 (a-3)에서, 상기 전도성 환형 와이어가 원형 도체; 및 상기 원형 도체의 표면에 형성되는 땜납 도금층;을 포함할 수 있다.
단계 (a-3)이 어느 하나의 상기 슁글드 구조의 태양전지 스트링과 다른 하나의 상기 슁글드 구조의 태양전지 스트링을 전도성 환형 와이어로 솔더링(soldering) 공정을 통해 전기적으로 연결하여 슁글드(shingled) 구조의 태양전지를 포함하는 전원공급장치를 제조하는 단계;일 수 있다.
상기 솔더링 공정이 130 내지 150℃의 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 이산화탄소 전환장치를 사용한 이산환탄소 전환방법이 제공된다.
본 발명의 슁글드 구조 실리콘 태양전지를 포함하는 이산화탄소의 전기화학적 전환장치는 전기화학 셀에 전력을 공급하는 장치로 하나의 실리콘 태양전지를 분할하여 사용함으로써, 전류·전압 특성을 최적화할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 슁글드 구조 실리콘 태양전지를 사용함으로써, 전력 변환 효율 및 접근성이 우수한 효과가 있다.
또한 본 발명은 슁글드 구조 실리콘 태양전지를 사용함으로써, 소형화 및 집적화가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 이산화탄소의 전기화학적 전환 장치를 개략적으로 나타낸 개략도이다.
도 2a는 금속 촉매 로딩 조건에 따른 전기화학 셀의 전류-전압 특성 곡선이다.
도 2b는 제조예 1에 따른 전기화학 셀의 패러데이 효율을 나타내는 그래프이다.
도 2c는 제조예 2에 따른 전기화학 셀의 패러데이 효율을 나타내는 그래프이다.
도 2d는 제조예 3에 따른 전기화학 셀의 패러데이 효율을 나타내는 그래프이다.
도 3은 분할 조건에 따른 슁글드 구조 실리콘 태양전지의 전류-전압 특성 곡선이다.
도 4는 전기화학 셀의 전류-전압 특성 곡선 및 슁글드 구조 실리콘 태양전지의 전류-전압 특성 곡선을 교차한 결과이다.
도 5는 슁글드 구조 실리콘 태양전지로부터 발생된 전력을 공급받는 전기화학 셀 및 이산화탄소를 전기화학셀에 공급하여 전환되어 나온 생성물의 분석을 위한 가스분석장치인 가스크로마토그래피(Gas Chromatography)를 보여주는 도면이다.
도 2a는 금속 촉매 로딩 조건에 따른 전기화학 셀의 전류-전압 특성 곡선이다.
도 2b는 제조예 1에 따른 전기화학 셀의 패러데이 효율을 나타내는 그래프이다.
도 2c는 제조예 2에 따른 전기화학 셀의 패러데이 효율을 나타내는 그래프이다.
도 2d는 제조예 3에 따른 전기화학 셀의 패러데이 효율을 나타내는 그래프이다.
도 3은 분할 조건에 따른 슁글드 구조 실리콘 태양전지의 전류-전압 특성 곡선이다.
도 4는 전기화학 셀의 전류-전압 특성 곡선 및 슁글드 구조 실리콘 태양전지의 전류-전압 특성 곡선을 교차한 결과이다.
도 5는 슁글드 구조 실리콘 태양전지로부터 발생된 전력을 공급받는 전기화학 셀 및 이산화탄소를 전기화학셀에 공급하여 전환되어 나온 생성물의 분석을 위한 가스분석장치인 가스크로마토그래피(Gas Chromatography)를 보여주는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 “다른 구성요소 상에,” "다른 구성요소 상에 형성되어," "다른 구성요소 상에 위치하여," 또는 " 다른 구성요소 상에 적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어, 위치하여 있거나 또는 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 이산화탄소의 전기화학적 전환 장치를 개략적으로 나타낸 개략도이다. 이하 도 1을 참조하여, 본 발명의 이산화탄소 전기화학적 전환장치에 대해 설명하도록 한다.
본 발명은 슁글드(shingled) 구조의 태양전지를 포함하는 전원공급장치; 및 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전기화학 셀;을 포함하는 이산화탄소 전환장치를 제공한다.
상기 슁글드 구조의 태양전지가 복수 개의 태양전지 셀을 포함하고, 상기 복수 개의 태양전지 셀이 서로 접하는 영역을 형성하고, 슁글드(shingled) 구조로 배치될 수 있다.
상기 슁글드 구조의 태양전지가 복수 개의 태양전지 셀을 포함하고, 상기 복수 개의 태양전지 셀이 서로 접하는 영역을 형성하고, 상기 복수 개의 태양전지 셀을 직렬연결하면서 슁글드(shingled) 구조로 배치될 수 있다.
상기 슁글드 구조의 태양전지가 2 내지 10개의 상기 태양전지 셀을 포함할 수 있고, 바람직하게는 4 내지 6개의 상기 태양전지 셀을 포함할 수 있다.
상기 슁글드 구조의 태양전지가 2개 미만의 태양전지 셀을 포함하면, 태양전지의 가능한 전위 범위가 매우 낮아 전기화학 셀에 전원 공급이 어려워 바람직하지 않고, 10개 초과의 태양전지 셀을 포함하면, 태양전지의 가능한 전류 범위가 낮아 적절한 전력 변환효율을 얻기 어려워 바람직하지 않다.
상기 슁글드 구조의 태양전지가 슁글드 구조의 실리콘(Si) 기반 태양전지일 수 있다.
상기 전기화학 셀에서, 상기 양극 및 음극이 각각 금속을 포함하고, 상기 금속은 은(Ag), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 아연(Zn), 팔라듐(Pd), 비스무트(Bi), 구리(Cu), 주석(Sn), 인듐(In), 수은(Hg), 및 납(Pb)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 양극에서, 상기 금속의 로딩량이 0.1 내지 10 mg/cm2 일 수 있고, 바람직하게는 0.1 내지 5 mg/cm2 일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 2 mg/cm2 일 수 있다.
상기 금속의 로딩량이 0.1 mg/cm2 미만이면, 이산화탄소 전환에 사용되는 촉매 량이 절대적으로 적으면 이산화탄소 전환률이 낮아지게 되어 바람직하지 않고, 10 mg/cm2 초과하면, 이산화탄소와 접하는 촉매 면적이 로딩량에 따라 늘어나지 않으므로 필요 이상의 촉매를 로딩하게 되어 바람직하지 않다.
상기 전기화학 셀에서, 상기 분리막이 불소계 고분자, 이미다졸륨계 고분자 및 방향족 고분자으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 전기화학 셀이 전해질을 추가로 포함하고, 상기 전해질이 수산화칼륨(KOH), 및 탄산수소칼륨(KHCO3)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 이산화탄소 전기화학적 전환장치의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명은 (a) 슁글드(shingled) 구조의 태양전지를 포함하는 전원공급장치를 제조하는 단계; (b) 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전기화학 셀을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 전원공급장치와 및 전기화학 셀을 연결하여 이산화탄소 전환장치를 제조하는 단계;를 포함하는 이산화탄소 전환장치의 제조방법을 제공한다.
단계 (a)가 (a-1) 태양전지를 분할하여 복수의 태양전지 셀을 제조하는 단계; (a-2) 어느 하나의 상기 태양전지 셀과 다른 하나의 상기 태양전지 셀을 전도성 접착제로 연결하여 슁글드(shingled) 구조의 태양전지 스트링을 제조하는 단계; 및 (a-3) 어느 하나의 상기 슁글드 구조의 태양전지 스트링과 다른 하나의 상기 슁글드 구조의 태양전지 스트링을 전도성 환형 와이어로 연결하여 슁글드(shingled) 구조의 태양전지를 포함하는 전원공급장치를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
단계 (a-1)에서, 상기 분할이 레이저를 이용하여 수행될 수 있다.
단계 (a-1)에서, 상기 복수의 태양전지 셀이 2 내지 10개의 태양전지 셀일 수 있다.
상기 전도성 접착제가 25℃에서 28,000 내지 35,000 mPa·s(cP)의 점도를 가질 수 있다.
상기 전도성 접착제의 경화 온도가 130 내지 150℃이고, 경화 시간이 25 내지 35초일 수 있다.
구체적으로 상기 전도성 접착제는 SKC Panacol의 EL-3655, EL-3012, EL-3556, EL-3653 또는 Henkel의 CE3103WLV, CA3556HF을 사용할 수 있다.
상기 전도성 접착제가 전도성 충진제를 추가로 포함할 수 있고, 상기 전도성 충진제는 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 카본으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
단계 (a-2)가 130 내지 150℃의 온도에서 25 내지 35초 동안 수행될 수 있다.
단계 (a-3)에서, 상기 전도성 환형 와이어가 원형 도체; 및 상기 원형 도체의 표면에 형성되는 땜납 도금층;을 포함할 수 있다.
상기 전도성 환형 와이어를 사용함으로써, 태양전지 스트링과의 접촉 저항을 줄여 출력을 향상시킬 수 있다.
상기 전도성 환형 와이어가 0.2 내지 0.5 ㎜의 직경을 가질 수 있다.
상기 전도성 환형 와이어의 직경이 0.2㎜ 미만인 경우에는 전도성 환형 와이어와 태양전지 스트링 사이에 접촉 불량이 발생할 수 있으며, 0.5㎜를 초과하는 경우에는 셰이딩(Shading) 부분이 증가하여 광입사 면적이 축소될 수 있고, 전도성 환형 와이어와 태양전지 스트링과의 접촉저항이 증가될 수 있어 바람직하지 않다.
상기 원형 도체가 터프피치동(Tough Pitch Copper; TPC), 무산소동(Oxygen-Free Copper; OFC) 및 인탈산동(Phosphrous Deoxidized Copper)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 원형 도체의 저항이 648 mΩ/m 이하이고, 항복강도가 120 MPa 이하이고, 인장강도가 180 내지 260 MPa이고, 연신율이 15 내지 45%인 것을 사용할 수 있다.
상기 땜납 도금층이 주석(Sn) 59~65 중량%, 납(Pb) 33~39 중량% 및 은(Ag) 1.5~2.5 중량%를 포함하거나, 주석(Sn) 57~63 중량% 및 납(Pb) 37~43 중량%를 포함하거나, 주석(Sn) 93.5~97.2 중량%, 구리(Cu) 0.3~0.7 중량% 및 은(Ag) 2.5~3.5 중량%를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
단계 (a-3)이 어느 하나의 상기 슁글드 구조의 태양전지 스트링과 다른 하나의 상기 슁글드 구조의 태양전지 스트링을 전도성 환형 와이어로 솔더링(soldering) 공정을 통해 전기적으로 연결하여 슁글드(shingled) 구조의 태양전지를 포함하는 전원공급장치를 제조하는 단계;일 수 있다.
단계 (a-3)에서, 상기 솔더링 공정이 130 내지 150℃의 온도에서 수행될 수 있다.
단계 (a-3)에서, 상기 솔더링 공정이 30 내지 90초 동안 수행될 수 있다.
또한 본 발명은 상기 이산화탄소 전환장치를 사용한 이산환탄소 전환방법을 제공한다.
[실시예]
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
[전기화학 셀(electrochemical cell)의 제조]
제조예 1
양극(cathode) 촉매로 사용된 물질은 은 나노입자(Ag nanoparticle)이고, 상기 은 나노입자 500mg을 이오노머(ionomer)인 Sustainion XA-9 (2ml) 와 함께 에탄올(Ethanol) 2.5ml 및 증류수(DI. Water) 1.5ml에 분산시켜 혼합용액(6ml)을 제조하였다. 상기 혼합용액을 6.25cm2 크기의 카본페이퍼(carbon paper)에 에어브러쉬 플로우(airbrush flow)가 100sccm이 되도록 하여 에어 스프레이(air spray)로 고르게 도포하고, 상온에서 건조하여 은 나노입자가 도포된 양극을 제조하였다. 이때 상기 은 나노입자의 로딩량은 1mg/cm2이었다.
이어서 1mg/cm2으로 이리듐산화물(IrOx)이 도포된 9cm2의 음극(anode)과 음이온 교환막(anion membrane) Sustainion X37-50 RT, 그리고 상기 은 나노입자가 도포된 양극(cathode)을 순서대로 정렬하여 전기화학 셀을 제조하였다. 이때, 음극(Anode)에는 1M의 KOH 전해질이 흐르고, 양극(cathode)에는 humid CO2 gas를 계속 주입하였다.
제조예 2
제조예 1에서 은 나노입자의 로딩량을 1mg/cm2으로 하는 대신에 은 나노입자의 로딩량을 3mg/cm2으로 하는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 전기화학 셀을 제조하였다.
제조예 3
제조예 1에서 은 나노입자의 로딩량을 1mg/cm2으로 하는 대신에 은 나노입자의 로딩량을 5mg/cm2으로 하는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 전기화학 셀을 제조하였다.
[슁글드 구조의 실리콘 태양전지의 제조]
제조예 4
나노 세컨드 레이저(532nm, 20ns, 30-100 KHz from Coherent)를 이용한 방법으로 실리콘 태양전지를 분할하였다. 즉 532nm 파장을 사용하는 20ns 레이저에서 평균 파워 10W, 주파수 50KHz, 스캔 속도 1,300mm/s 로 설정하여 실행하는 방법으로 실리콘 태양전지를 4분할하였다. 디스펜서를 이용하여 4분할된 실리콘 태양전지의 전극에 전도성 접착제 SKC Panacol의 EL-3655를 도포하고 슁글드 구조로 접합시켜 복수의 태양전지 스트링을 제조하였다. 이어서 상기 복수의 태양전지 스트링을 전도성 환형 와이어로 60초 동안 140℃의 열처리하는 솔더링 공정을 통해 직렬연결하여 슁글드 구조의 실리콘 태양전지를 제조하였다.
제조예 5
제조예 4에서 실리콘 태양전지를 4분할하는 대신에 실리콘 태양전지를 5분할하는 것을 제외하고는 제조예 5와 동일한 방법으로 슁글드 구조의 실리콘 태양전지를 제조하였다.
제조예 6
제조예 4에서 실리콘 태양전지를 4분할하는 대신에 실리콘 태양전지를 6분할하는 것을 제외하고는 제조예 5와 동일한 방법으로 슁글드 구조의 실리콘 태양전지를 제조하였다.
[이산화탄소 전환장치의 제조]
실시예 1
제조예 1에 따른 전기화학 셀과 32.5cm2의 제조예 4에 따른 실리콘(Si) 태양전지를 전선클립으로 각각의 단자를 연결하여 이산화탄소 전환장치를 제조하였다.
상기 실리콘(Si) 태양전지에 1.5G illumination의 광을 조사하여 전력을 발생시켜 상기 전기화학 셀에 전압을 인가시킨다. 최종적으로 상기 실리콘(Si) 태양전지에서 발생된 전력은 상기 전기화학 셀을 구동시키고, 양극(Cathode)에 이산화탄소(CO2)를 주입시켜 일산화탄소(CO)로 전환된다.
실시예 2 내지 9
제조예 1 내지 3에 따라 제조된 전기화학 셀과 제조예 4 내지 6에 따라 제조된 실리콘(Si) 태양전지를 각각 다르게 사용하여 이산화탄소 환원장치를 제조하였다. 하기 표 1에 실시예 1 내지 9에 따른 이산화탄소 환원장치에 사용된 전기화학 셀과 실리콘(Si) 태양전지를 기재하였다.
| 제조예 4 (4분할) | 제조예 5 (5분할) | 제조예 6 (6분할) | |
| 제조예 1 (1 mg/cm2) | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 |
| 제조예 2 (3 mg/cm2) | 실시예 4 | 실시예 5 | 실시예 6 |
| 제조예 3 (5 mg/cm2) | 실시예 7 | 실시예 8 | 실시예 9 |
[시험예]
시험예 1: 패러데이 효율 분석
도 2a는 금속 촉매 로딩 조건에 따른 전기화학 셀의 전류-전압 특성 곡선이고, 도 2b는 제조예 1에 따른 전기화학 셀의 패러데이 효율을 나타내는 그래프이고, 도 2c는 제조예 2에 따른 전기화학 셀의 패러데이 효율을 나타내는 그래프이고, 도 2d는 제조예 3에 따른 전기화학 셀의 패러데이 효율을 나타내는 그래프이다. 도 3은 분할 조건에 따른 슁글드 구조 실리콘 태양전지의 전류-전압 특성 곡선이다. 또한 도 4는 전기화학 셀의 전류-전압 특성 곡선 및 슁글드 구조 실리콘 태양전지의 전류-전압 특성 곡선을 교차한 결과이다. 실시예 1 내지 9에 따른 전력변환효율(%) 결과를 하기 표 2에 기재하였다. 패러데이 효율(Faradaic Efficiency,%)은 하기 식 1에 따라, 태양-연료 전력변환효율 즉 SFE(Solar-to-Fuel Conversion Efficiency,%)은 하기 식 2에 따라 계산하였다.
[식 1]
ico : 생성물(CO)의 부분 전류 (A)
itotal : 전기화학 셀에 공급된 총 전류 (A)
nco : 전자 전달 계수 (CO의 경우 전자 전달 계수는 2)
vgas : 전기화학셀에 공급된 CO2의 flow rate (s.c.c.m)
cco : 측정된 생성물(CO)의 농도 (p.p.m)
F : 패러데이 상수 (96,485 C/mol)
Vm : 상온에서의 단위 기체 부피 (24.5L/mol)
[식 2]
SFElight : 태양-연료 전력변환효율 (Solar-to-Fuel Conversion Efficiency,%)
E0 CO2/CO : CO2-CO 표준환원전위(1.34V)
I : 교점에서의 전류(A)
FECO : 생성물 패러데이 효율 (%)
Psolar : 조사광의 세기, AM 1.5G 1 sun 조건의 태양 복사 조도 (100mW/cm2)
Asolar : 태양전지 패널 면적 (32.5 cm2)
| 제조예 4 (4분할) | 제조예 5 (5분할) | 제조예 6 (6분할) | |
| 제조예 1 (1 mg/cm2) | 8.00% | 10.55% | 8.28% |
| 제조예 2 (3 mg/cm2) | 9.22% | 10.52% | 8.10% |
| 제조예 3 (5 mg/cm2) | 8.37% | 10.17% | 7.91% |
도 2a 내지 2d에 따르면, 로딩량이 3mg/cm2인 제조예 2은 10mA/cm2의 전류밀도에서 1.9V로 나타났고 패러데이 효율은 97%, 로딩량이 5mg/cm2인 제조예 3은 10mA/cm2의 전류밀도에서 1.95V로 나타났고, 패러데이 효율은 95 %였다. 또한 로딩량이 1mg/cm2인 제조예 1는 10mA/cm2의 전류밀도에서 1.96V로 나타났고, 패러데이 효율은 99 %로 가장 우수한 것을 확인할 수 있었다.
또한 도 3에 따르면, 4분할 조건의 제조예 4는 최대전류(Imax)가 10.01mA/cm2이고, 최대전압(Vmax) 2.42V로 나타났다. 또한 5분할 조건의 제조예 5는 최대전류(Imax)가 8.22mA/cm2이고, 최대전압(Vmax) 3.08V로 나타났고, 6분할 조건의 제조예 6은 최대전류(Imax)가 6.24mA/cm2이고, 최대전압(Vmax) 3.78V로 나타났다.
또한 도 4 및 표 1에 따르면, 전기화학 셀의 로딩량이 1mg/cm2이고(제조예 1), 실리콘 태양전지를 5분할로 나누어 제조한 슁글드 구조 실리콘 태양전지(제조예 5)를 사용했을 때(실시예 2), 전력변환효율이 10.55 % 로 가장 우수한 것을 확인할 수 있었다.
시험예 2: 이산화탄소의 전환 분석
도 5는 슁글드 구조 실리콘 태양전지로부터 발생된 전력을 공급받는 전기화학 셀 및 이산화탄소를 전기화학셀에 공급하여 전환되어 나온 생성물의 분석을 위한 가스분석장치인 가스크로마토그래피(Gas Chromatography)를 보여주는 도면이다. 상기 가스크로마토그래피로부터 생성된 가스의 성분 분석과 농도를 얻어 상기 식 1 계산에 의해 패러데이 효율을 얻는다.
실시예 2에 따른 이산화탄소 전환장치를 사용하여 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하였다. 실시예 2에 따른 이산화탄소 전환장치의 전력공급장치인 슁글드 구조 실리콘(Si) 태양전지(제조예 5)에 1.5G illumination의 광을 조사하여 전력을 발생시키고, 연결된 전기화학 셀(제조예 1)에 전압을 인가시켰다. 최종적으로 상기 슁글드 구조 실리콘(Si) 태양전지에서 발생된 전력은 상기 전기화학 셀을 구동시키고, 상기 전기화학 셀의 양극(Cathode)에 이산화탄소(CO2)를 주입시켰다. 실시예 2에 따른 이산화탄소 전환장치는 태양-연료 전력변환효율(Solar-to-Fuel conversion efficiency)이 높아 효율적으로 이산화탄소(CO2)를 일산화탄소(CO)로 환원시킬 수 있었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (20)
- 슁글드(shingled) 구조의 태양전지를 포함하는 전원공급장치; 및
양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전기화학 셀;을
포함하는 이산화탄소 전환장치. - 제1항에 있어서,
상기 슁글드 구조의 태양전지가
복수 개의 태양전지 셀을 포함하고,
상기 복수 개의 태양전지 셀이 서로 접하는 영역을 형성하고, 슁글드(shingled) 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치. - 제2항에 있어서,
상기 슁글드 구조의 태양전지가
복수 개의 태양전지 셀을 포함하고,
상기 복수 개의 태양전지 셀이 서로 접하는 영역을 형성하고, 상기 복수 개의 태양전지 셀을 직렬연결하면서 슁글드(shingled) 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치. - 제2항에 있어서,
상기 슁글드 구조의 태양전지가 2 내지 10개의 태양전지 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치. - 제4항에 있어서,
상기 슁글드 구조의 태양전지가 4 내지 6개의 태양전지 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치. - 제1항에 있어서,
상기 슁글드 구조의 태양전지가 슁글드 구조의 실리콘(Si) 기반 태양전지인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치. - 제1항에 있어서,
상기 전기화학 셀에서,
상기 양극 및 음극이 각각 금속을 포함하고,
상기 금속은 은(Ag), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 아연(Zn), 팔라듐(Pd), 비스무트(Bi), 구리(Cu), 주석(Sn), 인듐(In), 수은(Hg), 및 납(Pb)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치. - 제7항에 있어서,
상기 양극에서,
상기 금속의 로딩량이 0.1 내지 10 mg/cm2 인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치. - 제8항에 있어서,
상기 양극에서,
상기 금속의 로딩량이 0.1 내지 5 mg/cm2 인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치. - 제1항에 있어서,
상기 전기화학 셀에서,
상기 분리막이 불소계 고분자, 이미다졸륨계 고분자 및 방향족 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치. - 제1항에 있어서,
상기 전기화학 셀이 전해질을 추가로 포함하고,
상기 전해질이 수산화칼륨(KOH), 및 탄산수소칼륨(KHCO3)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치. - (a) 슁글드(shingled) 구조의 태양전지를 포함하는 전원공급장치를 제조하는 단계;
(b) 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전기화학 셀을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 전원공급장치와 및 전기화학 셀을 연결하여 이산화탄소 전환장치를 제조하는 단계;를
포함하는 이산화탄소 전환장치의 제조방법. - 제12항에 있어서,
단계 (a)가
(a-1) 태양전지를 분할하여 복수의 태양전지 셀을 제조하는 단계;
(a-2) 어느 하나의 상기 태양전지 셀과 다른 하나의 상기 태양전지 셀을 전도성 접착제로 연결하여 슁글드(shingled) 구조의 태양전지 스트링을 제조하는 단계; 및
(a-3) 어느 하나의 상기 슁글드 구조의 태양전지 스트링과 다른 하나의 상기 슁글드 구조의 태양전지 스트링을 전도성 환형 와이어로 연결하여 슁글드(shingled) 구조의 태양전지를 포함하는 전원공급장치를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치의 제조방법. - 제13항에 있어서,
단계 (a-1)에서,
상기 분할이 레이저를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치의 제조방법. - 제13항에 있어서,
단계 (a-1)에서,
상기 복수의 태양전지 셀이 2 내지 10개의 태양전지 셀인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치의 제조방법. - 제13항에 있어서,
단계 (a-2)가 130 내지 150℃의 온도에서 25 내지 35초 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치의 제조방법. - 제13항에 있어서,
단계 (a-3)에서,
상기 전도성 환형 와이어가
원형 도체; 및
상기 원형 도체의 표면에 형성되는 땜납 도금층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치의 제조방법. - 제13항에 있어서,
단계 (a-3)이
어느 하나의 상기 슁글드 구조의 태양전지 스트링과 다른 하나의 상기 슁글드 구조의 태양전지 스트링을 전도성 환형 와이어로 솔더링(soldering) 공정을 통해 전기적으로 연결하여 슁글드(shingled) 구조의 태양전지를 포함하는 전원공급장치를 제조하는 단계;인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치의 제조방법. - 제18항에 있어서,
단계 (a-3)에서,
상기 솔더링 공정이 130 내지 150℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환장치의 제조방법. - 제1항에 따른 이산화탄소 전환장치를 사용한 이산환탄소 전환방법.
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| KR20200048864A (ko) * | 2018-10-31 | 2020-05-08 | 한국생산기술연구원 | 고출력 슁글드 어레이 구조의 태양전지 모듈 및 그 제조방법 |
| KR20200079472A (ko) * | 2020-06-26 | 2020-07-03 | 한국생산기술연구원 | 슁글드 모듈 구조의 태양전지 스트링 제조방법 및 태양전지 모듈 |
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