WO2012053763A2 - 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈 및 그 제조 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer, and more particularly, a dye-sensitized solar cell having a light scattering layer formed on a working electrode (photoelectrode).
  • the present invention relates to a dye-sensitized solar cell module for maintaining a dye-sensitized solar cell module in a transparent or translucent state and a method of manufacturing the same.
  • Dye-sensitized solar cells have the potential to replace conventional amorphous silicon solar cells because their manufacturing cost is significantly lower than conventional silicon-based solar cells.
  • dye-sensitized solar cells are photoelectrochemical solar cells whose main components are dye molecules capable of absorbing light to generate electron-hole pairs, and transition metal oxides for transferring generated electrons, unlike silicon solar cells.
  • 1 is a view for explaining the structure and development principle of a general dye-sensitized solar cell.
  • the dye-sensitized solar cell 10 includes transparent glass substrates 11 and 12 to which the transparent films 13 and 14 are attached, a catalyst counter electrode 15, nanoparticles TiO 2 , and the like.
  • a working electrode (16) or photoelectrode, a dye (17), an electrolyte (Electrolyte) 18, and an encapsulant 19 having a titanium dioxide structure may be included.
  • the dye-sensitized solar cell 10 has a nanoparticle-structured working electrode 16 and an electrolyte in which a specific dye 17 is adsorbed between two glass substrates 11 and 12 to which the transparent electrode films 13 and 14 are respectively attached. It is formed into a structure filled with (18).
  • the transparent electrode films 13 and 14 may be ATO, ITO or FTO, and are typically provided in a state formed on the glass substrates 11 and 12.
  • the dye-sensitized solar cell 10 is a cell having a concept similar to the principle of photosynthetic action of plants, and includes a photosensitive dye 17 which absorbs light and a working electrode which is a titania electrode having a nano structure supporting the dye 17. (16), an electrolyte 18 and a catalyst counter electrode 15 are solar cells.
  • Dye-sensitized solar cell 10 does not use p-type and n-type semiconductor junctions like conventional silicon solar cells or thin-film solar cells, but produces electricity by electrochemical principles, and is high in theoretical efficiency and environmentally friendly. It is expected to be the most suitable solar cell for green energy.
  • the dye 17 In the dye-sensitized solar cell 10, when the external light reaches the dye 17, the dye 17 generates electrons, and the electrons are received by the working electrode 16, which is a porous oxide semiconductor (mostly TiO 2 is used). Deliver to the outside. Thereafter, the electrons reach the counter electrode 15 while flowing in an external circuit. At this time, since electrons escaped from the dye 17 of the working electrode 16 to the outside, one electron is again supplied to the dye 16 from the ions inside the electrolyte 18, and the electrons returned from the outside to the counter electrode are returned again. The energy transfer process is continuously performed by being transferred to the ions in the electrolyte 18.
  • the working electrode 16 which is a porous oxide semiconductor (mostly TiO 2 is used). Deliver to the outside. Thereafter, the electrons reach the counter electrode 15 while flowing in an external circuit. At this time, since electrons escaped from the dye 17 of the working electrode 16 to the outside, one electron is again supplied to the dye 16 from the ions inside the electrolyte 18, and the electrons
  • the dye-sensitized solar cell module is provided in the form of a module in which a plurality of dye-sensitized solar cells 10 shown in Figure 1 are arranged in series or in parallel.
  • the dye-sensitized solar cell may be used as a building material, such as a solar cell window (Window), which is difficult to use an essentially opaque silicon solar cell because it uses transparent nano oxide particles.
  • a solar cell window (Window)
  • a method of increasing the absorption of visible light in the nano-oxide electrode has been studied.
  • a light scattering layer is formed by over-coating a titanium dioxide (TiO 2 ) particle layer having a diameter of several hundred nm on the titanium dioxide particle layer of a transparent working electrode. ) Is formed.
  • Figure 2 is a vertical cross-sectional view schematically illustrating a dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer according to the prior art.
  • the dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer according to the prior art, the light scattering layer made of titanium dioxide having a diameter of several hundred nm on the working electrode 16 which is an oxide semiconductor of the nanostructure ( 20).
  • the titanium dioxide of the light scattering layer 20 has a property of scattering light in a long wavelength region by the particle diameter scattering characteristics with respect to light, the dye 17 absorbs the scattered light. Therefore, the amount of light absorption is increased to increase the photoelectric conversion efficiency.
  • the semiconductor electrode when overcoating the light scattering layer 20, the semiconductor electrode is opaque, there is a problem that can not produce a transparent dye-sensitized solar cell, which can limit the application field of the dye-sensitized solar cell.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to form a light scattering layer with a hole formed on the working electrode (photoelectrode) to secure the transmissive or transparent state of the dye-sensitized solar cell module while ensuring the amount of light received by light scattering It is to provide a dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer that can increase and a method of manufacturing the same.
  • a working electrode made of a porous oxide semiconductor layer adsorbed with a dye on the first transparent glass substrate
  • a working electrode substrate formed on the working electrode and having a light scattering layer formed on the working electrode A counter electrode substrate laminated with the working electrode substrate and having a catalytic counter electrode formed on a second transparent glass substrate;
  • an electrolyte injected into the counter electrode substrate and the working electrode substrate wherein the light scattering layer of the working electrode substrate has first holes of 10-90% of the total area of the light scattering layer.
  • the working electrode may be formed with second holes corresponding to the positions of the first holes formed in the light scattering layer.
  • a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer a) a working electrode made of a porous oxide semiconductor layer adsorbed dye is first Forming a light scattering layer on the working electrode, the light scattering layer being formed on the transparent glass substrate and having first holes of 10-90% of the total area of the light scattering layer; b) fabricating a counter electrode substrate having a catalytic counter electrode formed on a second transparent glass substrate; c) laminating the counter electrode substrate and the working electrode substrate; And d) injecting an electrolyte into the laminated counter electrode substrate and the working electrode substrate.
  • the step a) may include a-1) forming a first transparent electrode on the first transparent glass substrate; a-2) forming a porous oxide semiconductor layer on the first transparent electrode; a-3) adsorbing a dye on the porous oxide semiconductor layer; And a-4) forming a light scattering layer having first holes of 10-90% relative to the total area of the light scattering layer on the porous oxide semiconductor layer to which the dye is adsorbed.
  • the porous oxide semiconductor layer of step a-2) may have second holes corresponding to positions of the first holes formed in the light scattering layer.
  • a light-scattering layer having a hole on the working electrode (photoelectrode) while increasing the efficiency of the dye-sensitized solar cell module while ensuring a translucent or transparent state, such as building materials such as windows (window) It can be used easily.
  • 1 is a view for explaining the structure and development principle of a general dye-sensitized solar cell.
  • Figure 2 is a vertical cross-sectional view schematically illustrating a dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer according to the prior art.
  • Figure 3 is an exploded perspective view schematically showing a dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a vertical cross-sectional view illustrating that holes are formed in the light scattering layer in the dye-sensitized solar cell module having the light scattering layer of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a vertical cross-sectional view illustrating that holes are formed in the light scattering layer and the light absorbing layer in the dye-sensitized solar cell module including the light scattering layer of FIG. 3.
  • 6A to 6D are views for explaining a process of forming a hole in the light scattering layer in the dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A to 7D are views for explaining a process of forming a hole in the light scattering layer and the light absorbing layer in the dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view schematically showing a dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a hole in the light scattering layer in the dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer of FIG. 3. Illustrating this formed, it is a vertical cross-sectional view of the AA line of Fig.
  • the dye-sensitized solar cell module having the light scattering layer according to the embodiment of the present invention is formed by laminating the working electrode substrate 100 and the counter electrode substrate 200.
  • the working electrode substrate 100 has a working electrode (photoelectrode) 150 formed of a porous oxide semiconductor layer on which dye is adsorbed is formed on the first transparent glass substrate 110, and a light scattering layer on the working electrode 150. 190 is formed.
  • the light scattering layer 190 of the working electrode substrate 100 has first holes 191a of 10-90% of the total area of the light scattering layer. If the area of the first holes 191a is less than 10% of the total area of the light scattering layer, transparency is not secured, so it is difficult to apply it to building materials such as a solar cell window, and if it exceeds 90%, a dye-sensitized solar cell It is difficult to expect a satisfactory efficiency improvement.
  • the size and shape of the first hole 191a can be arbitrarily adjusted in a range capable of screen printing, for example, the shape of the hole may be a circle, a triangle, a square, a pentagon or other polygons, and a specific logo may also be formed. .
  • the minimum print unit for screenprints is 30 um.
  • the rest of the working electrode, the counter electrode, the electrolyte, and the encapsulant may be generally used in dye-sensitized solar cells.
  • the porous oxide semiconductor layer of the working electrode 150 may be formed of titanium dioxide (TiO 2 ) having a size of 10-200 nm, and the light scattering layer 190 in which the first hole 191a is formed is a porous oxide. It may be formed of titanium dioxide (TiO 2 ) having a size of 100-1000 nm as particles larger than the particles constituting the semiconductor layer.
  • the counter electrode substrate 200 is laminated with the working electrode substrate 100, and a catalyst counter electrode is formed on the second transparent glass substrate 210.
  • An electrolyte (not shown) is injected into the laminated counter electrode substrate 200 and the working electrode substrate 100.
  • At least one second hole corresponding to the position of the first hole 191a formed in the light scattering layer 190 may be formed in the working electrode 150, which will be described below with reference to FIG. 7.
  • the first glass substrate 110, the first transparent electrode 120, the porous membrane 151 on which the dye 152 is adsorbed is located.
  • the second glass substrate 210 on which the second transparent electrodes 220 and 230 are positioned are disposed to face each other, and an electrolyte is positioned between the first transparent electrode 120 and the second transparent electrodes 220 and 230.
  • the first glass substrate 110 and the second glass substrate 210 may be bonded to each other by an encapsulant 180 which is an adhesive.
  • Dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer according to an embodiment of the present invention, with reference to Figures 3 and 4, will be described in more detail as follows.
  • the first glass substrate 110 serving as a support for supporting the first transparent electrode 120 is formed to be transparent to allow the incidence of external light.
  • the first glass substrate 110 may be made of transparent glass or plastic.
  • plastic include polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), polypropylene (PP), polyimide (PET). Poly-imide (PI), Tri Acetyl Cellulose (TAC), and the like.
  • the first transparent electrode 120 formed on the first glass substrate 110 may be formed of indium tin oxide (ITO), fluorine tin oxide (FTO), and antimony tin oxide (ATO). , Zinc oxide, tin oxide, ZnOGa 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3, or a transparent material.
  • the first transparent electrode 120 may be formed of a single film or a laminated film of the transparent material.
  • the first transparent electrode 120 may be formed by sputtering, chemical vapor deposition, spray pyrolysis deposition, or the like.
  • the first current collecting electrodes 140 electrically connected to the first transparent electrode 120 may be formed on the first transparent electrode 120, but are not essential.
  • one of the first collecting electrodes 140 is formed along the edge of the first transparent electrode 120 on the first transparent electrode 120, and the other of the first collecting electrodes 140 is formed of the first collecting electrode 140.
  • the first transparent electrode 120 is formed while crossing the central portion of the first transparent electrode 120, but is not limited thereto.
  • the first current collecting electrode 140 has a stripe shape formed along one side direction (y-axis direction of the drawing).
  • the first current collecting electrodes 140 may be made of a metal having excellent electrical conductivity with a lower resistance than the first transparent electrode 120 made of a transparent material.
  • the first current collecting electrode 140 may be made of a material selected from the group consisting of nickel, gold, silver, copper, aluminum, magnesium, molybdenum, tungsten, zinc, iron, tin, and alloys thereof.
  • the first transparent electrode 120 and the first current collecting electrodes 140 are electrically connected to each other. While connected, the first current collecting electrodes 140 may be physically fixed on the first transparent electrode 120.
  • the first conductive adhesive layer 130 includes an adhesive material and conductive particles dispersed in the adhesive material, and physically fixes the first current collecting electrode 140 on the first transparent electrode 120 with the adhesive material.
  • the conductive particles electrically connect the first transparent electrode 120 and the first current collecting electrode 140 with the conductive particles.
  • the adhesive material may be made of polyethylene, polypropylene, polyurethane, epoxy, acrylic, silicone, combinations thereof, and the like.
  • the polymer particles When the metal particles are coated on the surface of the polymer particles as the conductive particles, the polymer particles can flexibly withstand external shocks.
  • the polymer particles may be made of polystyrene-based, epoxy-based, silicon-based, a combination thereof, or the like, and the metal film may be nickel, gold, silver, copper, aluminum, magnesium, molybdenum, tungsten, zinc, iron, tin, and any of these. It may be made of a material selected from the group consisting of an alloy containing one.
  • the present invention is not limited thereto, and the conductive particles may be made of only metal, wherein the conductive particles include nickel, gold, silver, copper, aluminum, magnesium, molybdenum, tungsten, zinc, iron, tin, and any one thereof. It may be made of a material selected from the group consisting of alloys.
  • the first conductive adhesive layer 130 may be made of an anisotropic conductive film.
  • An insulating protective layer 160 is formed while covering the first current collecting electrode 140 and the first conductive adhesive layer 130.
  • the insulating protective layer 160 prevents the first current collecting electrode 140 from directly contacting the electrolyte, thereby protecting the first current collecting electrode 140 from the electrolyte to prevent corrosion.
  • the insulating protective layer 160 may be made of a polymer material.
  • the working electrode 150 which is a plurality of light absorption layers, is positioned on the first transparent electrode 120 by the first current collecting electrode 140.
  • the light absorption layer 150 refers to a working electrode including the porous membrane 151 and the dye 152.
  • the porous membrane 151 includes metal oxide particles, which are titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, strontium oxide, indium oxide, and iridium oxide.
  • metal oxide particles which are titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, strontium oxide, indium oxide, and iridium oxide.
  • Iridium Oxide Lanthanum Oxide, Vanadium Oxide, Molybdenum Oxide, Tungsten Oxide, Niobium Oxide, Magnesium Oxide, Aluminum Oxide Oxide), yttrium oxide, scandium oxide, samarium oxide, gallium oxide, strontium titanium oxide, and the like.
  • the metal oxide particles are preferably made of such as titanium oxide, TiO 2, tin oxide, SnO 2, tungsten oxide, WO 3, zinc oxide of ZnO, or a complex thereof.
  • conductive particles (not shown) and light scatterers (not shown) may be further added to the porous membrane 151 to improve properties.
  • the conductive fine particles added to the porous membrane 151 serve to improve the mobility of electrons, and examples thereof include indium tin oxide and the like.
  • the light scatterer added to the porous membrane 151 serves to improve the photoelectric conversion efficiency by extending the path of light moving in the solar cell.
  • the light scatterer may be made of a material forming the porous membrane 151, and preferably has an average particle diameter of 100-1000 nm in consideration of the light scattering effect.
  • the dye 152 which absorbs external light and generates electrons, is adsorbed on the porous membrane 151, more precisely, on the surface of the metal oxide particles of the porous membrane 151.
  • the dye 152 is not limited as long as it can be used in a dye-sensitized solar cell.
  • Examples of the dye 152 include aluminum (Al), platinum (Pt), palladium (Pd), europium (Eu), lead (Pb), and iridium (Ir).
  • Ruthenium (Ru) and the like may be made of a metal composite, in addition, an organic dye may be used.
  • the first glass substrate 110 on which the porous membrane 151 and the first transparent electrode 120 are formed is immersed in an alcohol solution in which the dye is dissolved for a predetermined time, thereby adsorbing the dye 152 to the porous membrane 151.
  • an alcohol solution in which the dye is dissolved for a predetermined time, thereby adsorbing the dye 152 to the porous membrane 151.
  • the present invention is not limited thereto and may adsorb the dye 152 in various ways.
  • the first lead electrode 170 connected to an external circuit is formed on the first transparent electrode 120 to the outside of the encapsulant 180.
  • the first extraction electrode 170 not only serves to connect to an external circuit but also to collect electrons.
  • the second glass substrate 210 disposed to face the first glass substrate 110 serves as a support for supporting the second transparent electrodes 220 and 230 and may be formed to be transparent. Accordingly, the second glass substrate 210 may be made of transparent glass or plastic like the first glass substrate 110. Specific examples of the plastic include polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, polypropylene, polyimide, triacetyl cellulose and the like.
  • the second transparent electrodes 220 and 230 formed on the second glass substrate 210 may be formed to face the first transparent electrode 120 and may include the transparent electrode 220 and the catalyst electrode 230.
  • the transparent electrode 220 may be made of a transparent material such as indium tin oxide, fluorine oxide, antimony tin oxide, zinc oxide, tin oxide, ZnOGa 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3, or the like. In this case, the transparent electrode 220 may be formed of a single film or a laminated film of the transparent material.
  • the catalyst electrode 230 serves to activate the redox couple, platinum, ruthenium, palladium. It may be made of iridium, rhodium (Rh), osmium (Os), carbon (C), WO 3 , TiO 2, carbon nanotube (CNT), Carbon black, Graphene and the like.
  • the transparent electrode 220 may be formed by sputtering, chemical vapor deposition, spray pyrolysis deposition, or the like.
  • the catalyst electrode 230 may be formed by a physical vapor deposition method (electroplating method, sputtering method, electron beam deposition method, etc.) or wet coating method (spin coating method, dip coating method, flow coating method, etc.).
  • a physical vapor deposition method electrosputtering method, electron beam deposition method, etc.
  • wet coating method spin coating method, dip coating method, flow coating method, etc.
  • H 2 PtCl 6 is added to an organic solvent such as methanol, ethanol, and isopropyl alcohol (IPA) on the transparent electrode 220.
  • IPA isopropyl alcohol
  • Second collecting electrodes 250 electrically connected to the second transparent electrodes 220 and 230 are formed on the second transparent electrodes 220 and 230.
  • one of the second collecting electrodes 250 is formed along the edges of the second transparent electrodes 220 and 230 on the second transparent electrodes 220 and 230, and the second collecting electrodes ( The other one of 250 is illustrated as being formed on the second transparent electrodes 220 and 230 while crossing the central portion of the second transparent electrodes 220 and 230.
  • the second current collecting electrode 250 has a stripe shape formed along one side direction (y-axis direction of the drawing).
  • the second transparent electrodes 220 and 230 and the second current collecting electrodes 250 are provided.
  • the second current collecting electrodes 250 may be physically fixed on the second transparent electrodes 220 and 230 while the C) is electrically connected.
  • the second insulating protection layer 260 may be formed while covering the second current collecting electrode 250 and the second conductive adhesive layer 240.
  • the second current collecting electrode 250, the second conductive adhesive layer 240, and the second insulating protective layer 260 may include the first current collecting electrode 140, the first conductive adhesive layer 130, and the first insulating protective layer 160. Is the same as or similar to).
  • a second lead electrode 270 connected to an external circuit is formed on the second transparent electrodes 220 and 230 to the outside of the encapsulant 180.
  • the first glass substrate 110 and the second glass substrate 210 may be bonded by the encapsulant 180.
  • the encapsulant 180 a known encapsulant that may be used as an encapsulant of a dye-sensitized solar cell may be used.
  • a thermoplastic polymer film, an epoxy-based or silicone-based thermosetting sealant, an ultraviolet curing sealant, a frit glass, or the like may be used. have.
  • the thermoplastic polymer film is positioned between the first glass substrate 110 and the second glass substrate 210, and then thermally compressed to form the first glass substrate 110.
  • the second glass substrate 210 may be bonded to each other.
  • the electrolyte flows into the inner space between the first glass substrate 110 and the second glass substrate 210 through the electrolyte injection hole 280 penetrating through the second glass substrate 210 and the second transparent electrodes 220 and 230. It is injected and impregnated between the first transparent electrode 120 and the second transparent electrode (220, 230). This electrolyte is uniformly dispersed into the porous membrane 151. The electrolyte receives electrons from the second transparent electrodes 220 and 230 by redox and transfers the electrons to the dye 152.
  • the electrolyte injection hole 280 is sealed by an adhesive, a frit glass, and a cover glass 290.
  • the electrolyte has been described as being made of a liquid phase, the solid electrolyte may be applied to the embodiment of the present invention, which also belongs to the scope of the present invention.
  • the dye-sensitized solar cell module when external light such as solar light is incident into the solar cell, photons are absorbed by the dye 152 so that the dye is transferred from the ground state to the excited state to generate electrons.
  • the generated electrons are injected into the conduction bands of the metal oxide particles of the porous film 151, flow through the first transparent electrode 120 to an external circuit (not shown), and then to the second transparent electrodes 220 and 230. Move.
  • the iodide in the electrolyte is oxidized to triiodide
  • the oxidized dye 152 is reduced, and the triiodide is reduced to iodide by a reduction reaction with electrons reaching the second transparent electrodes 220 and 230. do.
  • the movement of electrons causes the dye-sensitized solar cell to operate.
  • the dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer according to an embodiment of the present invention, by forming a light scattering layer 190 with holes formed on the working electrode 150, the translucent or transparent state of the dye-sensitized solar cell module While securing it, the amount of light received by light scattering can be increased, and thus it can be easily used as a building material such as a solar cell window.
  • the photoelectrode portion to which the dye is adsorbed can also constitute holes, in this case, the transparency of the solar cell is secured It is easier to secure the view through.
  • the hole of the photoelectrode portion is formed at a corresponding position of the light scattering layer hole, the size and area of the photoelectrode hole is arbitrarily adjustable, preferably formed to be 30-100% of the total area of the light scattering layer holes of the module It is good to ensure transparency and the efficiency of a module simultaneously.
  • FIG. 5 is a vertical cross-sectional view illustrating that holes are formed in the light scattering layer and the light absorbing layer in the dye-sensitized solar cell module including the light scattering layer of FIG. 3.
  • the working electrode 150 corresponds to the position of the first hole 191a formed in the light scattering layer 190.
  • At least one second hole 191b may be formed, and the description of the same elements described with reference to FIGS. 3 and 4 will be omitted.
  • the porous oxide semiconductor layer 151 of the working electrode 150 may be formed at a portion other than a portion at which one or more second holes 191b are formed. It may be formed by a screen printing method. Accordingly, by forming holes in both the light scattering layer 190 and the working electrode 150, it is possible to transmit light more clearly, thereby making it easier to secure a view through the dye-sensitized solar cell module.
  • 6A to 6D are views for explaining a process of forming holes in the light scattering layer in the dye-sensitized solar cell module having the light scattering layer according to the embodiment of the present invention.
  • the working electrode substrate 100 of the dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer according to an embodiment of the present invention first, as shown in Figure 6a, the first transparent electrode on the first transparent glass substrate 110 Form 120.
  • a porous oxide semiconductor layer 151 is formed on the first transparent electrode 120. Then, as shown in FIG. 6C, the porous oxide semiconductor layer 151 is formed.
  • the working electrode 150 having the dye 152 adsorbed thereon is formed on the first transparent glass substrate 110.
  • the light scattering layer 190 having the holes 191a is formed on the porous oxide semiconductor layer 151 to which the dye 152 is adsorbed.
  • the light scattering layer 190 is formed by a screen printing method in a portion other than a portion where the first hole 191a is formed.
  • a counter electrode substrate 200 having a catalytic counter electrode formed on the second transparent glass substrate 210 is fabricated, the counter electrode substrate 200 and the working electrode substrate 100 are laminated, and the laminated
  • electrolyte By injecting electrolyte into the counter electrode substrate 200 and the working electrode substrate 100, a dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer according to an embodiment of the present invention is completed.
  • FIG. 7A to 7D are views for explaining a process of forming holes in the light scattering layer and the light absorbing layer in the dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer according to an embodiment of the present invention.
  • the working electrode substrate 100 of the dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer according to an embodiment of the present invention first, as shown in Figure 7a, the first transparent electrode on the first transparent glass substrate 110 Form 120.
  • the porous oxide semiconductor layer 151 having the second holes 191b is formed on the first transparent electrode 120. That is, in the porous oxide semiconductor layer 151, the second holes 191b are formed to correspond to the positions of the first holes 191a formed in the light scattering layer 190 described above, and the second holes 191b are formed. It may be formed by a screen printing method on the portion except the portion to be.
  • the working electrode 150 having the dye 152 adsorbed to the porous oxide semiconductor layer 151 having the second holes 191b formed thereon is formed on the first transparent glass substrate 110. Is formed.
  • the light scattering layer 190 having the first holes 191a is formed on the porous oxide semiconductor layer 151 to which the dye 152 is adsorbed.
  • the light scattering layer 190 may be formed by a screen printing method on a portion other than a portion where the first holes 191a are formed.
  • a counter electrode substrate 200 having a catalytic counter electrode formed on the second transparent glass substrate 210 is fabricated, the counter electrode substrate 200 and the working electrode substrate 100 are laminated, and the laminated
  • electrolyte By injecting electrolyte into the counter electrode substrate 200 and the working electrode substrate 100, a dye-sensitized solar cell module having a light scattering layer according to an embodiment of the present invention is completed.
  • Table 1 is a table for comparing the dye-sensitized solar cell module with a light scattering layer according to an embodiment of the present invention and the dye-sensitized solar cell module according to the prior art.
  • the first embodiment in which holes are formed in the light scattering layer and the second embodiment in which the holes are formed in both the light scattering layer and the photoelectrode as described above shows a first comparative example in which a light scattering layer is not formed and a second comparative example in which a light scattering layer is formed but no holes are formed.
  • the dye-sensitized solar cell module according to the prior art does not form a light scattering layer, that is, the dye-sensitized solar cell module formed only the photoelectrode layer is transparent, but the efficiency is
  • the second comparative example which is low and has a light scattering layer but no holes, has a higher efficiency than the first comparative example, but is opaque and thus difficult to apply as a solar cell window.
  • the transmittance is further increased.
  • a light-scattering layer having a hole on the working electrode (photoelectrode) while increasing the efficiency of the dye-sensitized solar cell module while ensuring a translucent or transparent state, such as building materials such as windows (window) It can be used easily.

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Abstract

본 발명은 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 홀(Hole)들이 형성된 광산란층을 작동전극(광전극) 상에 형성함으로써 염료감응 태양전지모듈의 반투명 또는 투명 상태를 확보하면서 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다.

Description

광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈 및 그 제조 방법
본 발명은 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 광산란층(Light Scattering Layer)이 작동전극(광전극) 상에 형성된 염료감응 태양전지모듈(Dye-sensitized solar cell: DSSC)에 있어서, 염료감응 태양전지모듈을 투명 또는 반투명 상태로 유지하는 염료감응 태양전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
1991년도 스위스 로잔공대(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 염료감응 나노입자 산화티타늄 태양전지가 개발된 이후, 이 분야에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘계 태양전지에 비해 제조단가가 현저하게 낮기 때문에 기존의 비정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 또한, 염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지와 달리 광을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료분자, 및 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주요 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 구조와 발전 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 염료감응 태양전지(10)는 투명 필름(13, 14)이 각각 부착된 투명한 글래스 기판(11, 12), 촉매 상대전극(Counter Electrode: 15), 나노 입자(TiO2, 이산화티타늄) 구조의 작동전극(Working Electrode: 16) 또는 광전극, 염료(17), 전해질(Electrolyte: 18) 및 봉지재(19)를 포함할 수 있다.
우선 염료감응 태양전지(10)는 투명전극 필름(13, 14)을 각각 부착한 두 글래스 기판(11, 12) 사이에 특정 염료(17)를 흡착한 나노입자 구조의 작동전극(16)과 전해질(18)을 채운 구조로 형성된다. 여기서, 투명전극 필름(13, 14)은 ATO, ITO 또는 FTO일 수 있으며, 통상적으로 글래스 기판(11, 12) 상에 형성된 상태로 제공된다.
구체적으로, 염료감응 태양전지(10)는 식물의 광합성 작용원리와 유사한 개념의 전지로서, 광을 흡수하는 광감응성 염료(17), 이러한 염료(17)를 지지하는 나노 구조의 티타니아 전극인 작동전극(16), 전해질(18), 촉매 상대전극(15)으로 구성된 태양전지이다. 염료감응 태양전지(10)는 기존의 실리콘 태양전지나 박막 태양전지와 같이 p형과 n형 반도체의 접합을 사용하지 않고, 전기화학적 원리에 의해 전기를 생산하며, 이론 효율이 높고, 친환경적이어서 미래의 그린에너지로 가장 적합한 태양전지로 기대되고 있다.
염료감응 태양전지(10)는 외부의 광이 염료(17)에 닿으면 염료(17)는 전자를 발생하고, 이 전자를 다공질 산화물 반도체(주로 TiO2가 이용됨)인 작동전극(16)이 받아 외부로 전달한다. 이후, 전자는 외부회로를 타고 흐르면서 상대전극(15)에 도달하게 된다. 이때, 작동전극(16)의 염료(17)에서 전자가 외부로 빠져 나갔기 때문에 전해질(18) 내부의 이온에서 한 개의 전자가 다시 염료(16)로 공급되고, 외부에서 상대전극으로 돌아온 전자는 다시 전해질(18) 내부의 이온으로 전달됨으로써 에너지 전달 과정이 연속적으로 이루어지게 된다.
이러한 과정들은 주로 작동전극(16)과 전해질(18) 사이와 상대전극(15)과 전해질(18) 사이에서 이루어지는 전기화학 반응에 따르므로, 전극과 전해질이 닿는 면적이 넓을수록 많은 반응이 빠르게 진행될 수 있다. 아울러 작동전극(16)의 표면 면적이 넓을수록 많은 양의 염료(17)가 붙어 있을 수 있기 때문에 생산할 수 있는 전력의 양이 증가하게 된다. 따라서 각각의 전극(15, 16) 소재로 나노 입자를 사용하며, 동일 부피에서 물질의 표면적이 극단적으로 증가하기 때문에 많은 양의 염료를 표면에 부착할 수 있고, 전극(15, 16)과 전해질(18) 사이의 전기화학 반응의 속도를 증가시킬 수 있다. 이때, 염료감응 태양전지모듈은 도 1에 도시된 염료감응 태양전지(10)가 다수 개 직렬 또는 병렬로 배치된 모듈 형태로 제공된다.
한편, 염료감응 태양전지는 투명한 나노 산화물 입자를 이용하기 때문에 본질적으로 불투명한 실리콘 태양전지가 사용되기 어려운 태양전지 창(Window)을 비롯한 건축 자재 등으로 이용될 수 있다. 이러한 염료감응 태양전지의 효율을 증진시키기 위해 나노 산화물 전극 내에서 가시광선의 흡수를 증가시키는 방법이 연구되고 있다.
이러한 장파장에서의 광흡수율을 높이기 위한 다른 방법으로서, 직경이 수백 ㎚ 크기의 이산화티탄(TiO2) 입자층을 투명한 작동전극의 이산화티탄 입자 층위에 오버코팅(Over-Coating)하여 광산란층(Light Scattering Layer)을 형성하는 방법이 있다.
도 2는 종래의 기술에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈을 개략적으로 예시하는 수직단면도이다.
도 2를 참조하면, 종래의 기술에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈은, 나노 구조의 산화물 반도체인 작동전극(16) 상에 직경이 수백 ㎚ 크기를 갖는 이산화티탄으로 이루어진 광산란층(20)을 형성한다.
이때, 광산란층(20)의 이산화티탄은 빛에 대한 입자경 산란특성에 의해 장파장영역의 광을 산란하는 성질이 있기 때문에, 산란된 광을 염료(17)가 흡수된다. 따라서 광 흡수량이 증가하게 되어 광전변환 효율을 증가시킬 수 있다.
그러나 광산란층(20)을 오버코팅했을 경우, 반도체 전극이 불투명하여 투명한 염료감응 태양전지를 제조할 수 없다는 문제점이 있고, 이는 염료감응 태양전지의 응용 분야를 제약할 수 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 홀이 형성된 광산란층을 작동전극(광전극) 상에 형성함으로써 염료감응 태양전지모듈의 반투명 또는 투명 상태를 확보하면서 광산란에 의한 수광량을 증가시킬 수 있는 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈은, 염료가 흡착된 다공질 산화물 반도체층으로 이루어진 작동전극(광전극)이 제1 투명 글래스 기판 상에 형성되고, 상기 작동전극 상에 광산란층이 형성된 작동전극 기판; 상기 작동전극 기판과 합지되며, 촉매 상대전극이 제2 투명 글래스 기판 상에 형성된 상대전극 기판; 및 합지된 상기 상대전극 기판 및 작동전극 기판 내에 주입되는 전해질을 포함하되, 상기 작동전극 기판의 광산란층은 광산란층의 전체면적 대비 10-90 %의 제1 홀들이 갖는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 작동전극은 상기 광산란층에 형성된 제1 홀들의 위치에 대응하는 제2 홀들이 형성될 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈의 제조 방법은, a) 염료가 흡착된 다공질 산화물 반도체층으로 이루어진 작동전극이 제1 투명 글래스 기판 상에 형성되고, 광산란층의 전체면적 대비 10-90 %의 제1 홀들을 갖는 광산란층을 상기 작동전극 상에 형성하여 작동전극 기판을 제작하는 단계; b) 촉매 상대전극이 제2 투명 글래스 기판 상에 형성된 상대전극 기판을 제작하는 단계; c) 상기 상대전극 기판 및 작동전극 기판을 합지하는 단계; 및 d) 상기 합지된 상대전극 기판 및 작동전극 기판 내에 전해질을 주입하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 a) 단계는, a-1) 제1 투명 글래스 기판 상에 제1 투명 전극을 형성하는 단계; a-2) 상기 제1 투명 전극 상에 다공질 산화물 반도체층을 형성하는 단계; a-3) 상기 다공질 산화물 반도체층에 염료를 흡착시키는 단계; 및 a-4) 광산란층의 전체면적 대비 10-90 %의 제1 홀들을 갖는 광산란층을 상기 염료가 흡착된 다공질 산화물 반도체층 상에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 a-2) 단계의 다공질 산화물 반도체층은 상기 광산란층에 형성된 제1 홀의 위치에 대응하는 제2 홀들을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 홀이 형성된 광산란층을 작동전극(광전극) 상에 형성함으로써, 염료감응 태양전지모듈의 효율을 증가시키면서도 반투명 또는 투명 상태를 확보하여 태양전지 창(Window)을 비롯한 건축 자재 등으로 용이하게 이용할 수 있다.
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 구조와 발전 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈을 개략적으로 예시하는 수직단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈에서 광산란층에 홀이 형성된 것을 예시하는 수직단면도이다.
도 5는 도 3의 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈에서 광산란층 및 광흡수층에 홀이 형성된 것을 예시하는 수직단면도이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈에서 광산란층에 홀을 형성하는 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈에서 광산란층 및 광흡수층에 홀을 형성하는 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100: 작동전극 기판
200: 상대전극 기판
110: 제1 글래스 기판
120: 제1 투명전극
130: 제1 도전성 접착층
140: 제1 집전 전극
150: 광흡수층(염료 + 다공성막)
160: 제1 절연 보호층
170: 제1 인출 전극
180: 봉지재
190: 광산란층
191a: 제1 홀
191b: 제2 홀
210: 제2 글래스 기판
220: 제2 투명전극
230: 촉매 상대전극
240: 제2 도전성 접착층
250: 제2 집전 전극
260: 제2 절연 보호층
270: 제2 인출 전극
280: 전해질 주입홀
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈을 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 도 3의 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈에서 광산란층에 홀이 형성된 것을 예시하며, 도 3의 A-A 라인을 절개선으로 하는 수직단면도이다.
도 3 및 도 4을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈은, 작동전극 기판(100) 및 상대전극 기판(200)을 합지하여 형성된다.
작동전극 기판(100)은 염료가 흡착된 다공질 산화물 반도체층으로 이루어진 작동전극(광전극)(150)이 제1 투명 글래스 기판(110) 상에 형성되고, 상기 작동전극(150) 상에 광산란층(190)이 형성된다. 이때, 상기 작동전극 기판(100)의 광산란층(190)은 광산란층의 전체면적 대비 10-90 %의 제1 홀(191a)들이 형성된다. 상기 제1 홀(191a)들의 면적이 광산란층의 전체면적 대비 10% 미만인 경우 투명성이 확보되지 않아 태양전지 창(window)을 비롯한 건축자재 등에 적용하기 어려우며, 90%를 초과하는 경우 염료감응태양전지의 만족할 만한 효율향상을 기대하기 어렵다.
또한 상기 제1 홀(191a)의 크기와 모양은 스크린프린트가 가능한 범위에서 임의로 조절가능하며, 일예로 홀의 모양은 원형, 삼각형, 사각형, 오각형 기타 다각형 일 수 있으며, 또한 특정 로고의 모양도 가능하다. 스크린프린트의 최소 인쇄단위는 30 um이다.
본 발명에서 상기 제1홀(191a)들이 형성된 광산란층(190)을 제외한 나머지 작동전극, 상대전극, 전해질 및 봉지제 등은 통상적으로 염료감응태양전지에 적용되는 사항들이 사용될 수 있다.
구체적인 일예로 상기 작동전극(150)의 다공질 산화물 반도체층은 10-200 nm 크기의 이산화티탄(TiO2)으로 형성될 수 있으며, 상기 제1 홀(191a)이 형성된 광산란층(190)은 다공성 산화물 반도체층을 구성하는 입자보다 큰 입자로서 100-1000 ㎚ 크기의 이산화티탄(TiO2)으로 형성될 수 있다.
상대전극 기판(200)은 상기 작동전극 기판(100)과 합지되며, 촉매 상대전극이 제2 투명 글래스 기판(210) 상에 형성된다.
전해질(도시되지 않음)은 합지된 상기 상대전극 기판(200) 및 작동전극 기판(100) 내에 주입된다.
또한, 상기 작동전극(150)은 상기 광산란층(190)에 형성된 제1 홀(191a)의 위치에 대응하는 적어도 하나 이상의 제2 홀이 형성될 수 있는데, 도 7을 참조하여 후술하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈은, 제1 투명전극(120), 염료(152)가 흡착된 다공성막(151) 등이 위치하는 제1 글래스 기판(110)과 제2 투명전극(220, 230) 등이 위치하는 제2 글래스 기판(210)이 서로 대향 배치되고, 제1 투명전극(120)과 제2 투명전극(220, 230) 사이에 전해질이 위치하여 구성될 수 있다. 이때, 제1 글래스 기판(110)과 제2 글래스 기판(210)은 접착제인 봉지재(180)에 의해 서로 접합될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈을, 도 3 및 도 4을 참조하여, 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예에서 제1 투명전극(120)을 지지하는 지지체 역할을 하는 제1 글래스 기판(110)은 외부광의 입사가 가능하도록 투명하게 형성된다. 이에 제1 글래스 기판(110)은 투명한 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 플라스틱의 구체적인 예로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Poly Ethylene Terephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Poly Ethylene Naphthalate: PEN), 폴리카보네이트(Poly-Carbonate: PC), 폴리프로필렌(Poly-Propylene: PP), 폴리이미드(Poly- Imide: PI), 트리 아세틸 셀룰로오스(Tri Acetyl Cellulose: TAC) 등을 들 수 있다.
제1 글래스 기판(110)에 형성되는 제1 투명전극(120)은 인듐 틴 산화물(Indium Tin Oxide: ITO), 플루오르 틴 산화물(Fluorine Tin Oxide: FTO), 안티몬 틴 산화물(Antimony Tin Oxide: ATO), 징크 산화물(Zinc Oxide), 틴 산화물(Tin Oxide), ZnOGa2O3, ZnO-Al2O3 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다. 제1 투명전극(120)은 상기 투명 물질의 단일막 또는 적층막으로 이루어질 수 있다. 이러한 제1 투명전극(120)은 스퍼터링법, 화학 기상 증착법, 스프레이 열분해 증착법 등에 의해 형성될 수 있다.
제1 투명전극(120) 위에는 상기 제1 투명전극(120)에 전기적으로 연결되는 제1 집전 전극들(140)이 형성될 수 있지만, 필수적인 것은 아니다. 예를 들면, 제1 집전 전극들(140) 중 하나는 제1 투명전극(120) 상에서 이 제1 투명전극(120)의 가장자리를 따라 형성되고 제1 집전 전극들(140) 중 다른 하나는 제1 투명전극(120) 상에서 이 제1 투명전극(120)의 중앙부를 가로지르면서 형성되는데, 이에 국한되는 것은 아니다. 제1 집전 전극(140)은 일측 방향(도면의 y축 방향)을 따라 형성되는 스트라이프 형태를 가진다.
이러한 제1 집전 전극들(140)은 투명 물질로 이루어진 제1 투명전극(120)보다 낮은 저항을 가지는 우수한 전기 전도성을 가지는 금속으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 제1 집전 전극(140)은 니켈, 금, 은, 구리, 알루미늄, 마그네슘, 몰리브덴, 텅스텐, 아연, 철, 주석 및 이들을 포함하는 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 이루어질 수 있다.
제1 투명전극(120)과 제1 집전 전극들(140) 사이에 위치하는 제1 전도성 접착층들(130)에 의해, 제1 투명전극(120)과 제1 집전 전극들(140)이 전기적으로 연결되면서 제1 투명전극(120) 상에 제1 집전 전극들(140)이 물리적으로 고정될 수 있다.
즉, 제1 전도성 접착층(130)은 접착 물질과 이러한 접착 물질 내에 분산된 전도성 입자들을 포함하는데, 상기 접착 물질로 제1 집전 전극(140)을 제1 투명전극(120) 상에 물리적으로 고정하고 상기 전도성 입자들로 제1 투명전극(120)과 제1 집전 전극(140)을 전기적으로 연결한다. 여기서, 상기 접착 물질은 폴리에틸렌 계열, 폴리프로필렌 계열, 폴리우레탄 계열, 에폭시 계열, 아크릴 계열, 실리콘 계열, 이들의 조합 등으로 이루어질 수 있다.
상기 전도성 입자로 고분자 입자의 표면에 금속막이 코팅된 것을 사용하면, 고분자 입자에 의해 외부 충격에 유연히 견딜 수 있게 된다. 여기서, 고분자 입자는 폴리스틸렌 계열, 에폭시 계열, 실리콘 계열, 이들의 조합 등으로 이루어질 수 있고, 금속막은 니켈, 금, 은, 구리, 알루미늄, 마그네슘, 몰리브덴, 텅스텐, 아연, 철, 주석 및 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 전도성 입자가 금속만으로 이루어지는 것도 가능하며, 이때, 전도성 입자는 니켈, 금, 은, 구리, 알루미늄, 마그네슘, 몰리브덴, 텅스텐, 아연, 철, 주석 및 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 이루어질 수 있다.
이러한 제1 전도성 접착층(130)은 이방성 전도 필름(Anisotropic Conductive Film)으로 이루어질 수 있다.
제1 집전 전극(140) 및 제1 전도성 접착층(130)을 덮으면서 절연 보호층(160)이 형성된다. 절연 보호층(160)은 제1 집전 전극(140)이 전해질이 직접 접촉하는 것을 방지하여, 전해질로부터 제1 집전 전극(140)을 보호하여 부식을 방지하는 역할을 한다. 이러한 절연 보호층(160)은 고분자 물질로 이루어질 수 있다.
그리고 제1 투명전극(120) 상에 제1 집전 전극(140)에 의해 이격되면서 복수의 광흡수층인 작동전극(150)이 위치하게 된다. 상기에서 설명한 바와 같이 광흡수층(150)은 다공성막(151)과 염료(152)를 포함한 작동전극을 말한다.
여기서, 다공성막(151)은 금속 산화물 입자를 포함하는데, 이러한 금속 산화물 입자는 티타늄 산화물(Titanium Oxide), 징크 산화물, 틴 산화물, 스트론튬 산화물(Strontium Oxide), 인듐 산화물(Indium Oxide), 이리듐 산화물(Iridium Oxide), 란탄 산화물(Lanthan Oxide), 바나듐 산화물(Vanadium Oxide), 몰리브덴 산화물(Molybdenum Oxide), 텅스텐 산화물(Tungsten Oxide), 니오브 산화물(Niobium Oxide), 마그네슘 산화물(Magnesium Oxide), 알루미늄 산화물(Aluminium Oxide), 이트륨 산화물(Yttrium oxide), 스칸듐 산화물(Scandium oxide), 사마륨 산화물(Samarium Oxide), 갈륨 산화물(Gallium Oxide), 스트론튬 티타늄 산화물(Strontium Titanium Oxide) 등으로 이루어질 수 있다. 여기서, 금속 산화물 입자는 티타늄 산화물인 TiO2, 틴 산화물인 SnO2, 텅스텐 산화물인 WO3, 징크 산화물인 ZnO, 또는 이들의 복합체 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 다공성막(151)에는 특성 향상을 위해 도전성 미립자(도시되지 않음) 및 광산란자(도시되지 않음) 등이 더 첨가될 수 있다.
다공성막(151)에 첨가되는 도전성 미립자는 전자의 이동성을 향상시키는 역할을 하는 것으로, 예를 들면, 인듐 틴 산화물 등을 들 수 있다. 다공성막(151)에 첨가되는 광산란자는 태양전지 내에서 이동하는 광의 경로를 연장시켜 광전변환 효율을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 광산란자는 다공성막(151)을 이루는 물질로 이루어질 수 있으며, 광산란 효과를 고려하여 100-1000 ㎚의 평균 입경을 가지는 것이 바람직하다.
이러한 다공성막(151), 보다 정확하게는 다공성막(151)의 금속 산화물 입자 표면에 외부 광을 흡수하여 전자를 생성하는 염료(152)가 흡착된다. 염료(152)는 염료감응태양전지에 사용될 수 있는 염료이면 한정되지 않으며, 일예로 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등을 포함하는 금속 복합체로 이루어질 수 있으며, 또한, 유기 염료가 사용될 수 있다.
또한 염료를 용해시킨 알콜 용액에 다공성막(151) 및 제1 투명전극(120)이 형성된 제1 글래스 기판(110)을 소정 시간 동안 침지시켜, 염료(152)를 다공성막(151)에 흡착시킬 수 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 다양한 방법으로 염료(152)를 흡착시킬 수 있다.
그리고 제1 투명전극(120) 상에 외부 회로(도시하지 않음)에 연결되는 제1 인출 전극(170)이 봉지재(180) 외측으로 형성된다. 여기서, 제1 인출 전극(170)은 외부 회로에 연결되는 역할뿐만 아니라 전자를 집전하는 역할도 함께 수행하게 된다.
한편, 제1 글래스 기판(110)에 대향 배치되는 제2 글래스 기판(210)은 제2 투명전극(220, 230)을 지지하는 지지체 역할을 하는 것으로, 투명하게 형성될 수 있다. 이에 제2 글래스 기판(210)은 제1 글래스 기판(110)과 같이 투명한 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 플라스틱의 구체적인 예로 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 트리아세틸 셀룰로오스 등을 들 수 있다.
제2 글래스 기판(210)에 형성되는 제2 투명전극(220, 230)은 제1 투명전극(120)과 대향 배치되도록 형성되며, 투명전극(220)과 촉매 전극(230)을 포함할 수 있다. 투명전극(220)은 인듐 틴 산화물, 플루오르 틴 산화물, 안티몬 틴 산화물, 징크 산화물, 틴 산화물, ZnOGa2O3, ZnO-Al2O3 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다. 이때, 투명전극(220)은 상기 투명 물질의 단일막 또는 적층막으로 이루어질 수 있다. 촉매 전극(230)은 산화-환원 쌍(Redox couple)을 활성화시키는 역할을 하는 것으로, 백금, 루테늄, 팔라듐. 이리듐, 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, TiO2, CNT(carbon nano tube), Carbon black, Graphene등으로 이루질 수 있다.
투명전극(220)은 스퍼터링법, 화학 기상 증착법, 스프레이 열분해 증착법 등에 의해 형성될 수 있다.
촉매 전극(230)은 물리 기상 증착법(전해도금법, 스퍼터링법, 전자빔 증착법 등) 또는 습식 코팅법(스핀 코팅법, 침지 코팅법, 플로우 코팅법 등)등에 의해 형성될 수 있다. 촉매 전극(230)이 백금(Pt)으로 이루어지는 경우를 예로서 설명하면, 투명전극(220) 위에 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올(Iso-Propyl Alcohol:IPA) 등의 유기 용제에 H2PtCl6이 용해된 용액을 습식 코팅법으로 도포한 후 공기 또는 산소 분위기에서 400℃에서 열처리하는 방법이 적용될 수 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 다양한 방법이 적용될 수 있음은 물론이다.
제2 투명전극(220, 230) 위에는 상기 제2 투명전극(220, 230)에 전기적으로 연결되는 제2 집전 전극들(250)이 형성된다. 본 발명의 실시예에서는 제2 집전 전극들(250) 중 하나는 제2 투명전극(220, 230) 상에서 이 제2 투명전극(220, 230)의 가장자리를 따라 형성되고, 제2 집전 전극들(250) 중 다른 하나는 제2 투명전극(220, 230) 상에서 상기 제2 투명전극(220, 230)의 중앙부를 가로지르면서 형성되는 것으로 도시된다. 제2 집전 전극(250)은 일측 방향(도면의 y축 방향)을 따라 형성되는 스트라이프 형태를 가진다.
제2 투명전극(220, 230)과 제2 집전 전극들(250) 사이에 위치하는 제2 전도성 접착층들(240)에 의해, 제2 투명전극(220, 230)과 제2 집전 전극들(250)이 전기적으로 연결되면서 제2 투명전극(220, 230) 상에 제2 집전 전극들(250)이 물리적으로 고정될 수 있다. 그리고 제2 집전 전극(250) 및 제2 전도성 접착층(240)을 덮으면서 제2 절연 보호층(260)이 형성될 수 있다. 제2 집전 전극(250), 제2 전도성 접착층(240) 및 제2 절연 보호층(260)은 전술한 제1 집전 전극(140), 제1 전도성 접착층(130) 및 제1 절연 보호층(160)과 동일하거나 유사하다.
그리고 제2 투명전극(220, 230) 상에 외부 회로(도시하지 않음)에 연결되는 제2 인출 전극(270)이 봉지재(180) 외측으로 형성된다.
제1 글래스 기판(110)과 제2 글래스 기판(210)은 봉지재(180)에 의해 접합될 수 있다. 봉지재(180)로는 염료감응태양전지의 봉지재로 사용될 수 있는 공지의 봉지재가 사용가능하며, 일예로 열가소성 고분자 필름, 에폭시 계열이나 실리콘 계열의 열경화성 실란트, 자외선 경화 실란트, Frit glass 등을 사용할 수 있다. 봉지재(180)로 열가소성 고분자 필름을 사용하는 경우에는, 제1 글래스 기판(110)과 제2 글래스 기판(210) 사이에 열가소성 고분자 필름을 위치시킨 후 가열 압착하여 제1 글래스 기판(110)과 제2 글래스 기판(210)을 접합할 수 있다.
전해질은 제2 글래스 기판(210)과 제2 투명전극(220, 230)을 관통하는 전해질 주입홀(280)을 통해 제1 글래스 기판(110)과 제2 글래스 기판(210) 사이의 내부공간으로 주입되어 제1 투명전극(120)과 제2 투명전극(220, 230) 사이에 함침된다. 이러한 전해질은 다공성막(151)의 내부로 균일하게 분산된다. 전해질은 산화 환원에 의해 제2 투명전극(220, 230)으로부터 전자를 받아 염료(152)에 전달하는 역할을 수행한다. 그리고 전해질 주입홀(280)은 접착제 및 Frit glass, 커버 글래스(290)에 의해 봉지된다. 본 발명의 실시 예에서는 전해질이 액상으로 이루어진 것을 설명하였으나, 본 발명의 실시 예에는 고상의 전해질이 적용될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
이러한 염료감응 태양전지모듈은 태양전지의 내부로 태양광 등의 외부 광이 입사되면, 광양자가 염료(152)에 흡수되어 염료가 기저 상태에서 여기 상태로 전이되어 전자를 생성한다. 생성된 전자는 다공성막(151)의 금속 산화물 입자의 전도대로 주입된 후, 제1 투명전극(120)을 거쳐 외부 회로(도시하지 않음)로 흐른 다음에 제2 투명전극(220, 230)으로 이동한다. 한편, 전해질 내의 요오드화물이 삼요오드화물로 산화함에 따라 산화된 염료(152)가 환원되고, 삼요오드화물은 제2 투명전극(220, 230)에 도달된 전자와 환원 반응을 하여 요오드화물로 환원된다. 이러한 전자의 이동에 의해 염료감응 태양전지가 작동하게 된다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈은, 홀들이 형성된 광산란층(190)을 작동전극(150) 상에 형성함으로써, 염료감응 태양전지모듈의 반투명 또는 투명 상태를 확보하면서 광산란에 의한 수광량을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 태양전지 창(Window)을 비롯한 건축 자재 등으로 용이하게 이용할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈에서, 염료가 흡착되는 광전극 부분도 홀들을 구성하는 것이 가능하며, 이러한 경우, 태양전지의 투명성이 확보되어 태양전지를 통한 시야확보가 더욱 용이해진다. 상기 광전극 부분의 홀은 상기 광산란층 홀의 대응되는 위치에 형성하되, 광전극 홀의 크기 및 면적은 임의로 조절가능하며, 바람직하기로는 광산란층 홀들 전체면적의 30-100%가 되도록 형성하는 것이 모듈의 투명성 확보 및 모듈의 효율을 동시에 만족시킬 수 있어서 좋다.
도 5는 도 3의 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈에서 광산란층 및 광흡수층에 홀들이 형성된 것을 예시하는 수직단면도이다.
도 5을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈에서, 작동전극(150)은 상기 광산란층(190)에 형성된 제1 홀(191a)의 위치에 대응하는 적어도 하나 이상의 제2 홀(191b)이 형성될 수 있는데, 전술한 도 3 및 도 4에 설명된 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈에서, 작동전극(150)의 다공질 산화물 반도체층(151)은 적어도 하나 이상의 제2 홀(191b)들이 형성되는 부분을 제외한 부분에 스크린 인쇄(Screen Printing) 방식으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 광산란층(190) 및 작동전극(150) 모두에 홀을 형성함으로써, 보다 선명하게 광을 투과시킬 수 있고, 이에 따라 염료감응 태양전지모듈을 통한 시야 확보가 더욱 용이해진다.
한편, 도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈에서 광산란층에 홀을 형성하는 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈의 작동전극 기판(100)은, 먼저, 도 6a에 도시된 바와 같이, 제1 투명 글래스 기판(110) 상에 제1 투명 전극(120)을 형성한다.
다음으로, 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 제1 투명 전극(120) 상에 다공질 산화물 반도체층(151)을 형성하고, 이후, 도 6c에 도시된 바와 같이, 상기 다공질 산화물 반도체층(151)에 염료(152)를 흡착시킨 작동전극(150)이 제1 투명 글래스 기판(110) 상에 형성된다.
다음으로, 도 6d에 도시된 바와 같이, 100-1000 nm 크기의 직경을 가진 이산화티탄(TiO2)으로 직경이 30-1000 um을 갖고, 광산란층(190) 전체면적 대비 30%가 되도록 제1 홀(191a)을 갖는 광산란층(190)을 상기 염료(152)가 흡착된 다공질 산화물 반도체층(151) 상에 형성한다. 이때, 도 4를 다시 참조하면, 상기 광산란층(190)은 상기 제1 홀(191a)이 형성되는 부분을 제외한 부분에 스크린 인쇄(Screen Printing) 방식으로 형성한다.
결국, 광산란층(190) 전체면적 대비 30%의 제1 홀(191a)들을 갖는 광산란층(190)이 상기 작동전극(150) 상에 형성된 작동전극 기판의 제작이 완성된다.
후속적으로, 촉매 상대전극이 제2 투명 글래스 기판(210) 상에 형성된 상대전극 기판(200)을 제작하고, 상기 상대전극 기판(200) 및 작동전극 기판(100)을 합지하고, 상기 합지된 상대전극 기판(200) 및 작동전극 기판(100) 내에 전해질을 주입함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈이 완성된다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈에서 광산란층 및 광흡수층에 홀들을 형성하는 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈의 작동전극 기판(100)은, 먼저, 도 7a에 도시된 바와 같이, 제1 투명 글래스 기판(110) 상에 제1 투명 전극(120)을 형성한다.
다음으로, 도 7b에 도시된 바와 같이, 제2 홀(191b)들이 형성된 다공질 산화물 반도체층(151)을 상기 제1 투명 전극(120) 상에 형성한다. 즉, 상기 다공질 산화물 반도체층(151)은 전술한 광산란층(190)에 형성되는 제1 홀(191a)들의 위치에 대응하도록 제2 홀(191b)들이 형성되며, 제2 홀(191b)이 형성되는 부분을 제외한 부분에 스크린 인쇄 방식으로 형성될 수 있다.
이후, 도 7c에 도시된 바와 같이, 상기 제2 홀(191b)들이 형성된 다공질 산화물 반도체층(151)에 염료(152)를 흡착시킨 작동전극(150)이 제1 투명 글래스 기판(110) 상에 형성된다.
다음으로, 도 7d에 도시된 바와 같이, 제1 홀(191a)들을 갖는 광산란층(190)을 상기 염료(152)가 흡착된 다공질 산화물 반도체층(151) 상에 형성한다. 이때, 상기 광산란층(190)은 상기 제1 홀(191a)들이 형성되는 부분을 제외한 부분에 스크린 인쇄(Screen Printing) 방식으로 형성될 수 있다.
결국, 제1 홀(191a)들을 갖는 광산란층(190)이 상기 제2 홀(191b)들을 갖는 작동전극(150) 상에 형성된 작동전극 기판의 제작이 완성된다.
후속적으로, 촉매 상대전극이 제2 투명 글래스 기판(210) 상에 형성된 상대전극 기판(200)을 제작하고, 상기 상대전극 기판(200) 및 작동전극 기판(100)을 합지하고, 상기 합지된 상대전극 기판(200) 및 작동전극 기판(100) 내에 전해질을 주입함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈이 완성된다.
한편, 하기 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈과 종래의 기술에 따른 염료감응 태양전지모듈을 비교하기 위한 표이다.
표 1
구분 작동전극 구조 DSC 모듈 광투과성 효율 비고
제1비교예 광산란층 없음(광전극층만 형성) 반투명 측정데이터
제2 비교예 광산란층 있음(광산란층에 홀 없음) 불투명 비교예 1에 비하여 20% 광전변환효율 상승 태양전지 창에 적용불가능
제1실시예 광산란층 있음(광산란층에 홀 형성) 반투명 비교예 1에 비하여 19% 광전변환효율 상승 효율향상 및 태양전지 창에 적용가능
제2실시예 광산란층 있음(광전극층과 관산란층에 동시에 홀형성) 투명 비교예 1에 비하여 18% 광전변환효율 상승 효율향상 및 태양전지 창에 적용가능(투명성 확보)
본 발명의 실시예에 따른 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈은, 전술한 바와 같이 광산란층에 홀들을 형성한 제1 실시예 및 광산란층 및 광전극 모두에 홀들을 형성한 제2 실시예로 이루어지며, 종래의 기술에 따른 염료감응 태양전지모듈이 광산란층을 형성하지 않은 제1 비교예와 광산란층을 형성하되 홀이 형성되지 않은 제2 비교예를 함께 나타내었다.
상기 표 1에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 염료감응 태양전지모듈이 광산란층을 형성하지 않은 제1 비교예, 즉, 광전극층만을 형성한 염료감응 태양전지모듈은 투명성이 있으나, 효율이 낮으며, 광산란층을 형성하되 홀이 형성되지 않은 제2 비교예의 경우 제1 비교예에 비하여 효율은 높으나, 불투명하여 태양전지 창(window)으로는 적용하기 어렵다.
이에 반해, 본 발명의 실시예 따른 광산란층에 홀들을 형성한 제1 실시예의 경우, 광산란층에 따른 효율의 향상과 투과성을 동시에 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한, 광산란층 및 광전극 모두에 홀들을 형성한 제2 실시예의 경우, 투과성은 더욱 증가하게 된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 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.
본 발명에 따르면, 홀이 형성된 광산란층을 작동전극(광전극) 상에 형성함으로써, 염료감응 태양전지모듈의 효율을 증가시키면서도 반투명 또는 투명 상태를 확보하여 태양전지 창(Window)을 비롯한 건축 자재 등으로 용이하게 이용할 수 있다.

Claims (10)

  1. 염료를 표면에 담지시킨 다공질 산화물 반도체층으로 이루어진 작동전극(광전극)이 제1 투명 글래스 기판 상에 형성되고, 상기 작동전극 상에 광산란층이 형성된 작동전극 기판;
    상기 작동전극 기판과 합지되며, 촉매 상대전극이 제2 투명 글래스 기판 상에 형성된 상대전극 기판; 및
    합지된 상기 상대전극 기판 및 작동전극 기판 내에 주입되는 전해질
    을 포함하되,
    상기 작동전극 기판의 광산란층은 광산란층의 전체면적 대비 10-90 %의 제1 홀(hole)들을 갖는 것을 특징으로 하는 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광산란층은 직경이 100-1000 ㎚인 이산화티탄(TiO2)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 작동전극의 다공질 산화물 반도체층은 10-200 nm 크기의 이산화티탄(TiO2)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 작동전극은 상기 광산란층에 형성된 제1 홀들의 위치에 대응하는 제2 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 작동전극에 형성된 제2 홀들의 전체면적은 상기 광산란층에 형성된 홀들 전체면적의 30-100%가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈.
  6. a) 염료를 흡착시킨 다공질 산화물 반도체층으로 이루어진 작동전극이 제1 투명 글래스 기판 상에 형성되고, 광산란층의 전체면적 대비 10-90 %의 제1 홀들을 갖는 광산란층을 상기 작동전극 상에 형성된 작동전극 기판을 제작하는 단계;
    b) 촉매 상대전극이 제2 투명 글래스 기판 상에 형성된 상대전극 기판을 제작하는 단계;
    c) 상기 상대전극 기판 및 작동전극 기판을 합지하는 단계; 및
    d) 상기 합지된 상대전극 기판 및 작동전극 기판 내에 전해질을 주입하는 단계
    를 포함하는 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광산란층은 직경이 100-1000 ㎚인 이산화티탄(TiO2)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 a) 단계는,
    a-1) 제1 투명 글래스 기판 상에 제1 투명 전극을 형성하는 단계;
    a-2) 상기 제1 투명 전극 상에 다공질 산화물 반도체층을 형성하는 단계;
    a-3) 상기 다공질 산화물 반도체층에 염료를 흡착시키는 단계; 및
    a-4) 광산란층의 전체면적 대비 10-90 %의 제1 홀들을 갖는 광산란층을 상기 염료가 흡착된 다공질 산화물 반도체층 상에 형성하는 단계
    를 포함하는 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 a-2) 단계의 다공질 산화물 반도체층은 상기 광산란층에 형성되는 제1 홀의 위치에 대응하는 제2 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 작동전극에 형성된 제2 홀들의 전체면적은 상기 광산란층에 형성된 홀들 전체면적의 30-100%가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈의 제조 방법.
PCT/KR2011/007527 2010-10-19 2011-10-11 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지모듈 및 그 제조 방법 Ceased WO2012053763A2 (ko)

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