WO2012057494A2 - 고효율 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지 - Google Patents

고효율 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지 Download PDF

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윤정현
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주식회사 동진쎄미켐
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells

Definitions

  • the present invention relates to a dye-sensitized solar cell having a high-efficiency light-scattering layer, and more particularly, a structure of a light-scattering layer that can increase the photoelectric conversion efficiency without reducing the effective power generation area and a dye-sensitized solar cell having such a light-scattering layer. It relates to a battery.
  • Dye-sensitized solar cells have been invented as photoelectric conversion devices that are inexpensive and have high theoretical conversion efficiency of about 30% as next-generation solar cells because there is no resource limitation of input materials.
  • the semiconductor electrode and a counter electrode such as a conductive glass plate provided with a platinum sputter are bonded to each other, and an electrolyte solution containing redox species such as urea and iodide ions is filled between both electrodes so as to serve as a charge transfer layer.
  • the dye adsorbed on the surface of the semiconductor absorbs the light to excite electrons in the dye molecule, and the excitation electrons are injected into the photoelectrode.
  • the injected electrons work through the external circuit and move to the counter electrode.
  • the electrons moved to the counter electrode are transported in the form of holes or ions in the carrier transport layer, and are combined with the dye in the excited state (oxidized state) to reduce the dye to the ground state, thereby achieving continuous development.
  • Dye-sensitized solar cells are electrochemical-based solar cells that can absorb a large amount of dye because the semiconductor layer is porous and its internal surface area is large. The conversion efficiency is obtained, and since the cheap titanium oxide can be used without complicated processing, it is possible to reduce the cost. In addition, an expensive vacuum process and equipment are not required for the atmospheric pressure process, the process is performed at a relatively low temperature, and it does not contain harmful substances, so it can be said that it has a high possibility as a mass-produced solar cell.
  • semiconductor particles are used as a light absorbing layer, and electrons and holes are separated through a dye adsorbed on the surface of the semiconductor particles. Light not absorbed by the dye adsorbed on the surface of the semiconductor particles is lost through the photoelectrode.
  • the light scattering layer which can scatter incident light outside the semiconductor layer to increase the generated current and have a high photoelectric conversion efficiency can be provided.
  • a semiconductor particle formed on a conductive substrate and a conductive substrate is used.
  • the light scattering layer 4 covers both the semiconductor layers of the multilayer structure or at least one surface as shown in FIG.
  • the dye-sensitized solar cell is composed of a light absorbing layer composed of a conductive substrate, a semiconductor fine particle, a light absorbing layer composed of a dye, and a light scattering layer having an average refractive index less than that of the light absorbing layer. Since the semiconductor fine particle layer is simply stacked without covering the semiconductor fine particle layer, only a portion of light that is not absorbed by the semiconductor fine particle layer may be reflected, so that there is little increase in the photoelectric conversion efficiency.
  • the semiconductor fine particle layer located farthest from the conductive substrate is provided as the light scattering layer, and the light scattering layer covers the side surface of the semiconductor fine particle layer located closest to the substrate. If the conductive substrate is configured to cover the semiconductor fine particle layer, that is, the photoelectrode layer, which is formed at the second or more positions in the conductive substrate, the present invention is completed to confirm that the effect of the light scattering layer can be maximized without reducing the effective power generation area. Was done.
  • An object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell that can prevent the reduction of the effective power generation area due to the light scattering layer, and at the same time can increase the power generation efficiency.
  • the present invention is formed of a light-transmissive substrate, a conductive substrate, a multilayer photoelectrode layer of two or more layers positioned on the conductive substrate, a light scattering layer, an electrolyte layer, a catalyst electrode layer, and a support substrate positioned at the top of the multilayer photoelectrode layer and encapsulating material.
  • the dye-sensitized solar cell is sealed with a light-scattering layer provides a dye-sensitized solar cell, the light scattering layer is in contact with the outer surface of the upper surface of the lowest photoelectrode layer in contact with the conductive substrate to cover the entire photoelectrode layer.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the electrode structure of a dye-sensitized solar cell manufactured by the prior art, wherein the light scattering layer 4 is configured to cover both sides of the photoelectrode layers 5 and 5 '.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the electrode structure of a dye-sensitized solar cell manufactured by the prior art in which the light scattering layer 4 covers one side of the photoelectrode layers 5 and 5 '.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing an electrode structure of a dye-sensitized solar cell composed of two photoelectrode layers 5 and 5 'except for the light scattering layer 4 according to the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing an electrode structure of a dye-sensitized solar cell consisting of three photoelectrode layers 5, 5 ', 5 "except for the light scattering layer 4 according to the present invention.
  • 5 is a cross-sectional view showing the incident and reflective path of light in the dye-sensitized solar cell manufactured by the prior art.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the incident and reflective path of light in the dye-sensitized solar cell according to the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating an electrode structure of a dye-sensitized solar cell having the same width as the top and bottom surfaces of the photoelectrode layer and the light scattering layer, according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing an electrode structure of a dye-sensitized solar cell in which the photoelectrode layer has the same width as the top surface and the bottom surface, and the light scattering layer is narrowed upward from the lower substrate according to another embodiment of the present invention.
  • the light-transmitting substrate, the conductive substrate, the multilayer photoelectrode layer disposed on the conductive substrate, two or more layers, a light scattering layer positioned on the top of the multilayer photoelectrode layer, an electrolyte layer, a catalyst electrode layer, and a support substrate are formed and sealed with an encapsulant.
  • the light scattering layer is in contact with the outer surface of the uppermost surface of the lowest photoelectrode layer in contact with the conductive substrate, and relates to the dye-sensitized solar cell, characterized in that to cover the entire remaining photoelectrode layer.
  • the light transmissive substrate 6 serves to pass light incident from the substrate side to the photoelectrode.
  • the transmittance of light having a wavelength in the visible light region to the near infrared region is preferably 50% or more.
  • transparent glass such as sodium carbonate glass or alkali free glass
  • transparent high performance such as polyethylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polycarbonate, or the like Plastics can be used.
  • ITO indium tin oxide
  • FTO fluoro tin oxide
  • Indium oxide TCO (tin oxide)
  • the photoelectrode layers 5, 5 ', 5 " are formed of a plurality of layers on the conductive substrate 2, and a dye capable of absorbing light in the visible and near infrared regions is adsorbed.
  • the dye having such a function can be selected and used as the photosensitive dye commonly used in the art to which the present invention belongs, and is not particularly limited, and ruthenium-based dyes can be preferably used.
  • the catalytic electrode 3 opposing the photoelectrode is located on the conductive substrate 2 provided on the supporting substrate 1 and composed of a catalyst layer, and the supporting substrate 1 is composed of glass or plastic.
  • the conductive substrate 2 an elemental semiconductor, a compound semiconductor, a high melting point metal, or a transparent conductive material can be used.
  • the material of the catalyst layer may be a platinum or carbon material, and the conductive substrate may be omitted when the catalyst layer has high electrical conductivity.
  • a method of screen printing, spray coating, spin coating, or the like is used to form the catalyst layer.
  • the electrolyte 8 filled in the space between the photoelectrode and the catalyst electrode 3 can be used as long as it can transport electrons, holes, and ions.
  • the form is variously applied to an ionic liquid electrolyte, a solid electrolyte, a semi-solid electrolyte, and the like, and preferably, an iodine / iodide source can be used.
  • an imidazole salt or a nitrogen-containing aromatic compound can be used as an additive.
  • a screen printing method may be used in the case of a semi-solid or solid electrolyte, and a method of injecting the liquid electrolyte may be used.
  • the light scattering layer 4 when the light scattering layer 4 is provided as shown in Figs. 3 and 4, the light scattering layer 4 is disposed in the second or more order in the conductive substrate 2 without covering the photoelectrode layer 5 in contact with the substrate.
  • the maximum amount of light passing through the photoelectrode can be reflected and the effective power generation area is not reduced. That is, the conductive substrate 2 and the In an electrode structure composed of two or more multilayer photoelectrode layers (4, 5, 5 ', 5 ") formed on a conductive substrate, the surface of the photoelectrode layer (5) which is in contact with the conductive substrate (2) is provided as wide as possible so as to have an effective power generation area.
  • the light scattering layer ( 4) the lower part of the figure High efficiency light scattering by covering the entire remaining photoelectrode layer while covering the entire surface of the photoelectrode layer 5 in contact with the conductive substrate 2 without covering both surfaces of the photoelectrode layer 5 in contact with the substrate 2
  • the dye-sensitized solar cell provided with a layer can be manufactured.
  • the light scattering layer is provided with a photoelectrode layer 4 located at the top of the two or more multilayer photoelectrode layers 4, 5, 5 ′, 5 ′′, TiO 2 , In 2 O 3 , SnO 2 , It is composed of one or more materials selected from the group consisting of VO, VO 2 , V 2 O 3 , and V 2 O 5.
  • the light scattering layer 4 is a light of another semiconductor fine particle layer located close to the conductive substrate 2. Since it is composed of particles larger than the average particle size of the electrode layers 5, 5 ', 5 ", the degree of adsorption of the dye may occur less than that of other semiconductor fine particle layers, and light scattering may be more pronounced.
  • the particle size of the light scattering layer 4 is 200-600 nm, and preferably may exhibit a particle size of 400-500 nm.
  • the particle size of the light scattering layer 4 is smaller than 200 nm, there is no scattering effect in the visible light region, and when the particle size of the light scattering layer 4 is larger than 600 nm, the adhesion force with the semiconductor fine particle layer may be difficult to form a uniform film, and the scattering effect may be insufficient.
  • the light passing through without reacting with the dye adsorbed on the semiconductor fine particle layers 5, 5 ', 5 ", which is a photoelectrode layer is reflected by the light scattering layer 4 and re-participates in the current generation process. Therefore, it is possible to manufacture a dye-sensitized solar cell excellent in light absorption and photoelectric conversion efficiency.
  • the length of the photoelectrode layer 5, which is the lowest semiconductor fine particle layer in contact with the conductive substrate is located in the second order in the conductive substrate. It is characterized in that it is 4 ⁇ 10 ⁇ m longer than the length of the photoelectrode layer 5 ', which is a fine particle layer, If the difference in length is less than 4 ⁇ m, since the light scattering layer 4 becomes narrower, the reflection of light occurs in a narrow range When the resorption rate of light may be reduced and exceeds 10 ⁇ m, since the length of the photoelectrode layer 5 ′, which is the semiconductor fine particle layer positioned in the second order, is shortened, the light receiving area may be insufficient and the photoelectric conversion efficiency may be reduced. .
  • the light scattering layer 4 structure installed in the related art As shown in FIG. 5, in the light scattering layer 4 structure installed in the related art, a part of the light incident from the conductive substrate 2 is directly incident on the light scattering layer 4, thereby not participating in the current generation process.
  • the power generation efficiency may be reduced, and since the light reflected by the light scattering layer 4 cannot all re-inject into the photoelectrode layers 5 and 5 ', the incident light may be incident on the conductive substrate 2 and then transmitted. There may be a small percentage of reuse of light that does not participate in the generation process.
  • the light scattering layer 4 structure of the present invention since all light incident from the conductive substrate 2 passes through the photoelectrode layers 5 and 5 ′ first, the light scattering layer 4 may participate in the current generation process.
  • the light that fails to react and passes through the photoelectrode layers 5 and 5 ' is re-entered into the photoelectrode layers 5 and 5', and most of the light reflected from the light scattering layer 4 participates in the current generation process.
  • the structure does not directly re-inject into the conductive substrate 2, it can exhibit a remarkably excellent performance in light absorption and photoelectric conversion efficiency.
  • the shape of the photoelectrode layer 5, 5 '5' which is a semiconductor fine particle layer, may be manufactured in a form that becomes wider toward the conductive substrate.
  • the shape of the lowermost photoelectrode layer 5 is manufactured such that the widths of the top and bottom surfaces thereof are constant, i.e., the conductive substrate 2
  • the light scattering layer 4 may be provided so as not to cover both side surfaces of the lowermost photoelectrode layer 5 located closest to the bottom surface).
  • the electrode is manufactured in this manner, even when light is incident on both ends of the photoelectrode layer 5, the photoelectrode layer 5 passes through a thick layer and the light receiving area increases, thereby primarily providing current.
  • the ratio of the light participating in the generation process can be increased, and the light reflected from the light scattering layer 4 is re-incident to the photoelectrode layers 5 and 5 'as in the case of FIG. 6, thereby increasing the photoelectric conversion efficiency. It has an effect.
  • the shape of the photoelectrode layer and the light scattering layer except for the lowermost layer may be freely used in the form of constant width or widening toward the bottom.
  • the width of the top surface and the bottom surface of the photoelectrode layer in contact with the conductive substrate is the same, wherein the photoelectrode layer is the top surface and The width of the bottom surface is the same, and provides a dye-sensitized solar cell, characterized in that the width of the light scattering layer is configured to be narrowed upwards.
  • Another form provides a dye-sensitized solar cell, characterized in that the width of the top and bottom surfaces of the photoelectrode layer is the same, and the outer circumferential width of the light scattering layer is configured vertically upward.
  • Another aspect is a dye-sensitized solar cell, characterized in that the top surface of the photoelectrode layer in contact with the conductive substrate is configured to be narrower than the width of the bottom surface, wherein the top surface of the photoelectrode layer in contact with the conductive substrate is narrower than the width of the bottom surface. It is configured, and provides a dye-sensitized solar cell, characterized in that configured to narrow the width of the light scattering layer upward.
  • Another embodiment provides a dye-sensitized solar cell, wherein the remaining photoelectrode layers positioned on the photoelectrode layer in contact with the conductive substrate are stacked in one or more layers.
  • the shape of the photoelectrode layer and the light scattering layer in the present invention is to increase the photoelectric conversion efficiency because the light reflected from the light scattering layer 4 to be implemented in the present invention is mostly re-incident to the photoelectrode layer (5,5'5 '')
  • At least one semiconductor fine particle layer except for the light scattering layer 4 is a photoelectrode layer (5, 5 ', 5 ") consisting of titanium oxide, niobium oxide, hafnium oxide, indium oxide, tin oxide and zinc oxide. It is made of one or more materials selected from the group, characterized in that composed of a material having a smaller average particle size compared to the light scattering layer 4.
  • the particle size is less than 10 nm, it is difficult to adsorb the dye due to the decrease of pore size, the electrolyte penetration is difficult, and if the particle size exceeds 200 nm, the specific surface area of the photoelectrode layer (5, 5 ', 5 ") is small. Dye adsorption is difficult.
  • a dye-sensitized formed of a light-transmissive substrate, a conductive substrate, a multilayer photoelectrode layer of two or more layers positioned on the conductive substrate, a light scattering layer located at the top of the multilayer photoelectrode layer, an electrolyte layer, a catalyst electrode layer, a support substrate and sealed with an encapsulant
  • the light scattering layer is configured to cover the entire photoelectrode layer while contacting the outer edge of the lowermost photoelectrode layer in contact with the conductive substrate, the light scattering layer is incident on the light transmissive substrate and passes through the photoelectrode layer without undergoing a current generation process.
  • the photoelectric conversion rate can be increased, and since the light is not wrapped around the side of the lowermost photoelectrode layer located closest to the conductive substrate, Make the most of the light scattering layer effect without reducing the area There is an effect that it is possible to increase the power generation efficiency for taking the other.

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Abstract

본 발명은 고효율 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지에 관한 것으로 보다 상세하게는 유효발전면적을 감소시키지 않으면서도 광전변환효율을 증대시킬 수 있는 광산란층의 구조와 그러한 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지에 관한 것이다. 투광성 기판, 도전성 기판, 도전성 기판위에 위치하는 이층이상의 다층 광전극층, 다층 광전극층 중 최상부에 위치한 광산란층, 전해질층, 촉매전극층, 지지기판으로 형성되고 봉지재로 밀봉되는 염료감응태양전지에 있어서, 광산란층은 도전성 기판과 접하고 있는 최하위 광전극층의 상단면 외곽과 접하면서 나머지 광전극층 전체를 피복하도록 구성하는 경우,투광성 기판쪽으로 입사하여 전류생성과정을 거치지 않고 반도체 미립자층을 통과한 빛이 광산란층에서 반사되어 반도체 미립자층으로 재입사하여 전류 생성 과정을 다시 수행하게 되므로, 광전변환율을 증가시킬 수 있고, 도전성 기판에서 가장 가까운 곳에 위치한 최하층 반도체 미립자 층의 옆면을 감싸지 않았으므로, 유효발전면적이 줄어들지 않으면서도 광산란층의 효과를 최대한 나타내어 발전 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

고효율 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지
본 발명은 고효율 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지에 관한 것으로 보다 상세하게는 유효발전면적을 감소시키지 않으면서도 광전변환효율을 증대시킬 수 있는 광산란층의 구조와 그러한 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
환경 오염이 없는 에너지의 하나로서, 태양광 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 태양 전지는 20세기 중반 실리콘계 태양전지가 등장한 이후 꾸준히 연구되어 왔다. 태양광 에너지를 얼마나 효율적으로 전기 에너지로 변환하느냐에 따라 그 효율이 결정되는데, 효율을 향상시키기 위해서는 입사하는 광을 얼마나 완벽하게 장치 내에 가두고 흡수하여 전자로 변환할 수 있는가가 중요한 요소 중에 하나이다. 또한, 실리콘 태양 전지는 발전 효율이 우수한 반면 그 제조 비용면에서 불리하기 때문에 그 용도가 한정되어 있으며, 태양광 발전 시스템의 원활한 보급을 위해서는 태양 전지의 저비용화가 필요하다.
염료 감응형 태양전지는 투입소재의 자원적 제약이 없어 저렴하고, 차세대 태양전지로서 30% 대의 높은 이론적 변환 효율을 얻을 수 있는 광전변환 소자로 발명되었다. 이는 미카엘 그라첼(Michael Gratzel) 박사에 의해서 최초로 고안되었으며, 도전성 기판 위에 이산화티타늄 등의 산화물 반도체 나노 입자를 사용한 다공막이 형성되고, 이 다공막에 염료를 담지시켜 반도체 전극이 구성되어 있다. 이 반도체 전극과 백금 스퍼터가 설치된 도전성 유리판 등의 대극이 결합되고, 양 전극사이에 요소, 요오드화물 이온 등의 산화-환원종을 포함하는 전해액이 전하 이송층으로서 역할을 할 수 있도록 채워진다. 광전극에 빛이 조사되면, 반도체 표면상에 흡착된 염료가 빛을 흡수하여 염료 분자내의 전자가 여기되고 여기 전자가 광전극에 주입된다. 주입된 전자는 외부회로를 통하여 일(저항)을 하고 대전극으로 이동한다. 대전극에 이동한 전자는 캐리어 수송층 중의 홀 또는 이온의 형태로 운반되고 여기상태의 염료(산화상태)와 결합하여 기저상태의 염료로 환원하는 과정을 반복하므로 지속적인 발전이 이루어지게 된다.
염료 감응 태양전지는 전기화학기반 태양전지로서 반도체층이 다공질화 되고 내부 표면적이 넓기 때문에 염료를 다량 흡착할 수 있으므로, 가시광선의 파장 영역의 많은 부분의 빛을 전기로 변환할 수 있고 10%이상의 광전 변환 효율이 얻어지며, 값싼 산화 티탄을 복잡한 가공 과정 없이 사용할 수 있으므로 저 비용화가 가능하다는 이점이 있다. 또한, 상압공정으로 고가의 진공공정 및 장비가 필요하지 않으며, 비교적 낮은 온도에서 공정이 이루어지고, 유해 물질을 포함하지 않기 때문에, 대량 생산형 태양전지로서 높은 가능성을 가진다고 할 수 있다.
이러한 염료 감응형 태양전지에서는 반도체 입자를 광 흡수층으로 사용하고 있으며, 반도체 입자의 표면에 흡착된 염료를 통하여 전자와 정공을 분리하고 있다. 반도체 입자의 표면에 흡착되어 있는 염료에 의해 흡수되지 않은 빛은 광전극을 투과하여 손실되어 버리게 된다.
이때, 반도체층의 외부에 입사광을 산란시켜 발생 전류를 증가시키고 높은 광전변환 효율을 가지게 할 수 있는 광산란층을 설치할 수 있는데, 일본 공개 특허 2006-049082에서는 도전성 기판과 도전성 기판상에 형성된 반도체 미립자로 형성되는 반도체 층을 가지는 광전극, 광전극은 반도체 미립자의 평균 입경이 상이한 복수의 층으로부터 구성되고 동시에 기판으로부터 먼 위치에 배치되는 원위층이 가까이 배치되는 근위층의 적어도 한쪽면을 덮는 광전극을 제시하였으나, 도 1에서와 같이 광산란층(4)이 다층구조의 반도체층을 양쪽 모두 덮게 되거나 도 2에서와 같이 적어도 한면을 덮도록 구성되어 있으므로 비발전 면적이 많은 부분 존재하게 되어 광산란층(4)으로 인한 효율 증대의 효과를 감소시키는 단점이 있었고, 일본 공개 특허2004-311197에서는 입사광측으로부터 순서대로 도전성 기판, 반도체미립자, 염료로 구성되는 광흡수층, 광흡수층의 평균 굴절율보다 적은 평균 굴절율을 가지는 광산란층으로 구성되는 광전극으로 구성되는 염료 감응형 태양전지를 제시하였으나, 광산란층이 반도체 미립자층을 감싸지 않고 단순히 적층되어 있는 형태로서 반도체미립자층에서 흡수되지 않는 빛을 일부분만 반사시킬 수 있으므로 광전변환효율의 증대가 적게 일어나는 단점이 있었다.
본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 예의 노력한 결과, 도전성 기판에서 가장 먼곳에 위치하는 반도체 미립자 층이 광산란층으로 설치되고, 상기 광산란층이 기판에서 가장 가까운 곳에 위치하는 반도체 미립자층의 옆면을 피복하지 않으면서 도전성 기판에서 두번째 순서 이상의 위치에 구성되는 반도체 미립자층 즉 광전극층을 피복하도록 구성하는 경우, 유효발전면적이 줄어들지 않으면서도 광산란층의 효과를 최대한 나타낼 수 있는 점을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 광산란층으로 인한 유효발전면적 감소를 방지하는 동시에 발전 효율 증대 효과를 나타낼 수 있는 염료감응 태양전지를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 투광성 기판, 도전성 기판, 도전성 기판위에 위치하는 이층이상의 다층 광전극층, 다층 광전극층 중 최상부에 위치한 광산란층, 전해질층, 촉매전극층, 지지기판으로 형성되고 봉지재로 밀봉되는 염료감응태양전지에 있어서, 광산란층은 도전성 기판과 접하고 있는 최하위 광전극층의 상단면 외곽과 접하면서 나머지 광전극층 전체를 피복하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지를 제공한다.
도 1은 종래 기술에 의해 제조된, 광산란층(4)이 광전극층(5, 5')을 양쪽면 모두 피복하도록 구성된 염료감응 태양전지의 전극 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 종래 기술에 의해 제조된, 광산란층(4)이 광전극층(5, 5')의 한면을 피복하도록 구성된 염료감응 태양전지의 전극 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본원 발명에 따른, 광산란층(4)을 제외한 광전극층(5, 5')이 2개로 이루어진 염료감응 태양전지의 전극 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본원 발명에 따른, 광산란층(4)을 제외한 광전극층(5, 5', 5")이 3개로 이루어진 염료감응 태양전지의 전극 구조를 나타내는 단면도이다.
도 5는 종래 기술에 의해 제조된 염료감응 태양전지에 있어서 빛의 입사와 반사 경로를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본원 발명에 따른, 염료감응 태양전지에 있어서 빛의 입사와 반사 경로를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본원 발명의 일구현예에 따른, 광전극층과 광산란층의 상단면과 하단면의 폭이 동일한 염료감응 태양전지의 전극 구조를 나타내는 단면도이다.
도 8은 본원 발명의 다른 구현예에 따른, 광전극층은 상단면과 하단면의 폭이 동일하고, 광산란층은 하부 기판으로부터 위로 갈수록 폭이 좁아지는 염료감응 태양전지의 전극 구조를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본원 발명의 다른 구현예에 따른, 광전극층 중 기판과 접하는 광전극층은 상단면과 하단면의 폭이 동일하고 기판에서 두번째 순서에 위치한 2층 광전극층은 상단면이 하단면 폭보다 좁게 구성되며, 광산란층의 폭이 위로 갈수록 좁아지는 염료감응 태양전지의 전극 구조를 나타내는 단면도이다.
발명의 상세한 설명 및 구체적인 구현예
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 및 이하에 기술하는 실험 방법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명은 일관점에서, 투광성 기판, 도전성 기판, 도전성 기판위에 위치하는 이층이상의 다층 광전극층, 다층 광전극층 중 최상부에 위치한 광산란층, 전해질층, 촉매전극층, 지지기판으로 형성되고 봉지재로 밀봉되는 염료감응태양전지에 있어서, 광산란층은 도전성 기판과 접하고 있는 최하위 광전극층의 상단면 외곽과 접하면서 나머지 광전극층 전체를 피복하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 투광성 기판(6)은 기판측으로부터 입사한 빛을 통과시켜 광전극으로 보내는 역할을 하며, 이를 위해 가시광 영역 내지 근적외선 영역의 파장을 가지는 빛의 투과율이 50%이상인 것이 바람직하다. 투광성 기판(6)을 형성하는 재료로는 탄산 나트륨 라임 유리, 무알칼리 유리 등의 투명한 유리나, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide), 폴리카보네이트(polycarbonate) 등의 투명한 고성능 플라스틱류를 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 도전성 기판(2)은 상기 투광성 기판(6)위에 형성되며, 빛를 투과시키는 동시에 집전 역할을 해야하므로, 높은 광투과성과 낮은 표면 저항을 가진 물질인 ITO(indium tin oxide), FTO(fluoro tin oxide), Indium oxide, TCO(tin oxide) 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 광전극층(5,5',5")은 상기 도전성 기판(2) 위에 복수의 층으로 형성되며, 가시 광선 및 근적외선 영역의 빛을 흡수할 수 있는 염료가 흡착되는 것을 특징으로 한다. 이러한 기능을 하는 염료로는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 감광성염료를선택하여사용할수있으므로특별히한정하지않으며, 바람직하게는 루테늄계 염료를 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 광전극 대향하는 상기 촉매전극(3)은 지지 기판(1) 위에 설치된 도전성 기판(2) 위에 위치하며 촉매층으로 구성되어 있고, 지지 기판(1)은 유리 또는 플라스틱으로 구성되며, 도전성 기판(2)은 원소 반도체, 화합물 반도체, 고융점 금속 또는 투명성이 있는 도전 재료를 사용할 수 있다. 촉매층의 재료는 백금 또는 카본 재질의 물질을 사용할 수 있으며, 촉매층의 전기 전도성이 높은 경우에 도전성 기판을 생략할 수 있다. 또한, 촉매층의 형성에는 스크린 프린팅(screen printing), 스프레이 코팅(spray coating), 스핀 코팅(spin coating) 등의 방법이 이용된다.
본 발명에 있어서, 상기 광전극과 촉매 전극(3) 사이의 공간에 충전된 전해질(8)은 전자, 홀(hall) 및 이온(ion)을 수송할 수 있는 것이면 어느 것이든 이용할 수 있다. 그 형태는 이온성 액체 전해질, 고체 전해질, 준고체 전해질 등으로 다양하게 적용되고, 바람직하게는 iodine/iodide source를 사용할 수 있으며, 이 경우 이미다졸염, 함질소 방향족 화합물 등을 첨가제로 이용할 수 있다. 전해질의 형성 방법으로는 준고체 또는 고체 전해질일 경우 스크린 프린팅(Screen printing)방법을 사용할 수 있고, 액체 전해질의 경우 주입하는 방법을 이용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 도 3과 도 4에 나타난 바와 같이 광산란층(4)을 설치하는 경우, 기판과 접하고 있는 광전극층(5)을 피복하지 않으면서 도전성 기판(2)에서 두번째 이상의 순서에 위치하고 있는 광전극층(5',5")을 피복하도록 구성함으로써, 광전극을 통과한 빛의 최대한 많은 양이 반사되도록 함과 동시에 유효발전 면적이 줄어들지 않도록 할 수 있다. 즉, 도전성 기판(2)과 상기 도전성 기판 위에 형성되는 이층 이상의 다층 광전극층(4,5,5',5")으로 이루어진 전극 구조에 있어서 도전성 기판(2)과 닿아있는 광전극층(5)의 면을 최대한 넓게 설치하여 유효발전면적을 최대화하고, 이층 이상의 다층 광전극층 (4,5,5',5") 중 최상부에 위치한 광전극층을 광산란층(4)으로 구성함에 있어서, 수광면적 및 유효발전면적을 감소시키지 않도록 광산란층(4)의 하단부가 도전성 기판(2)에 닿아있는 광전극층(5)의 양면을 덮게 되지 않고, 도전성 기판(2)에 닿아있는 광전극층(5)의 상단면의 외곽과 접하면서 나머지 광전극층 전체를 피복함으로써 고효율 광산란층을 구비한 염료감응 태양전지를 제조할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 광산란층은 상기 이층 이상의 다층 광전극층(4,5,5',5")중 최상부에 위치한 광전극층(4)으로 설치되며, TiO2, In2O3, SnO2, VO, VO2, V2O3, 및 V2O5으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질로 구성되어 있다. 광산란층(4)은 도전성 기판(2)에서 가까운 곳에 위치한 다른 반도체 미립자층인 광전극층(5,5',5")의 평균 입자 크기보다 큰 입자로 구성되어 있으므로, 염료의 흡착 정도가 다른 반도체 미립자층보다 적게 일어날 수 있고 빛의 산란 현상은 더 현저하게 나타날 수 있다. 광산란층(4)의 입자 크기는 200~600nm이며, 바람직하게는 400~500nm의 입자 크기를 나타낼 수 있다. 광산란층(4)의 입자 크기가 200nm보다 작을 경우 가시광 영역에서 산란효과가 없고, 600nm보다 클 경우에는 반도체 미립자층과의 부착력이 떨어져 균일한 막질 형성이 어렵고 산란효과가 부족하게 나타날 수 있다. 이러한 산란 현상을 통하여 광전극층인 반도체 미립자층(5,5',5")에 흡착되어 있는 염료와 반응하지 않고 통과하여 지나간 빛이 광산란층(4)으로 인하여 반사되어 전류의 생성 과정에 재참여하게 되므로, 광흡수율과 광전변환효율이 우수한 염료감응 태양전지를 제조할 수 있다.
본 발명에 있어서, 반도체 미립자층(4,5,5',5")을 구성할 때, 도전성 기판과 접하는 최하층 반도체 미립자층인 광전극층(5)의 길이가 도전성 기판에서 두번째 순서에 위치하는 반도체 미립자층인 광전극층(5')의 길이보다 4 ~ 10㎛ 긴 것을 특징으로 한다. 길이의 차이가 4㎛ 미만일 경우, 광산란층(4)의 범위가 좁아지므로 빛의 반사가 좁은 범위에서 일어나게 되어 빛의 재흡수율이 줄어들 수 있고, 10㎛를 초과할 경우, 두번째 순서에 위치하는 반도체 미립자층인 광전극층(5')의 길이가 짧아지므로 수광면적이 부족하게 되어 광전변환효율이 작아질 수 있다.
도 5에 나타난 바와 같이, 종래의 기술에 의해 설치된 광란산층(4)구조에서는 도전성 기판(2)으로부터 입사한 빛의 일부가 광산란층(4)으로 직접 입사하게 됨으로써 전류 생성 과정에 참여하지 않게 되어 발전 효율이 저하될 수 있고, 광산란층(4)에 의해 반사된 빛이 모두 광전극층(5,5')으로 재입사할 수 없으며 도전성 기판(2)으로 입사하여 투과할 경우가 발생하므로, 전류 생성과정에 참여하지 않은 빛을 재사용하는 비율이 적을 수 있다.
본 발명의 광산란층(4)구조에서는 도 6에서 나타난 바와 같이, 도전성 기판(2)으로부터 입사한 빛이 모두 광전극층(5,5')을 먼저 통과하게 되므로 1차적으로 전류 생성 과정에 참여할 수 있으며, 반응하지 못하고 광전극층(5,5')을 통과한 빛은 광산란층(4)에서 반사된 대부분의 빛이 광전극층(5,5')으로 재입사하여 전류 생성 과정에 참여하게 되고, 종래의 기술에서와 같이 도전성 기판(2)으로 직접 재입사하는 경우가 없는 구조이므로 광흡수율와 광전변환효율에 있어서 현저하게 우수한 성능을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 도 3와 도 4에 나타난 바와 같이 반도체 미립자층인 광전극층(5,5’5’’)의 형태를 도전성 기판 쪽으로 갈수록 넓어지는 형태로 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 도 7, 도 8 및 도 9에서 나타난 바와 같이 최하층 광전극층(5)의 형태를 상단면과 하단면의 폭이 일정 즉 동일하도록 제조한 뒤, 도전성 기판(2)에서 가장 가까운 곳에 위치한 최하층 광전극층(5)의 양쪽 옆면을 피복하지 않도록 광산란층(4)을 설치할 수 있다. 이와 같은 형태로 전극을 제조하였을 경우, 광전극층(5)의 양쪽 끝부분으로 입사한 빛에 있어서도 광전극층(5)의 두께가 두꺼운 층으로 통과하게 되고 수광 면적이 증가하므로, 1차적으로 전류의 생성과정에 참여하는 빛의 비율을 높일 수 있고, 도 6의 경우와 마찬가지로 광산란층(4)에서 반사된 빛이 대부분 광전극층(5,5')으로 재입사하게 되므로 광전변환효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 이러한 형태의 염료감응 태양전지의 제조에 있어서 최하층을 제외한 광전극층 및 광산란층의 형태는 폭이 일정하거나 아래쪽으로 갈수록 넓어지는 형태를 자유롭게 사용할 수 있다.
본 발명에 의한 광전극층 및 광산란층의 바람직한 형태는, 도전성 기판과 접하고 있는 광전극층의 상단면과 하단면의 폭이 동일하게 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지에서, 광전극층은 상단면과 하단면의 폭이 동일하게 구성되고, 광산란층의 폭이 위로 갈수록 좁아지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
또 다른 형태는 광전극층의 상단면과 하단면의 폭이 동일하게 구성되고, 광산란층의 외주폭은 위로 수직으로 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
또 다른 형태는 도전성 기판과 접하고 있는 광전극층의 상단면이 하단면의 폭보다 좁게 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지에서, 도전성 기판과 접하고 있는 광전극층의 상단면이 하단면의 폭보다 좁게 구성되고, 광산란층의 폭이 위로 갈수록 좁아지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
또 다른 형태는 도전성 기판과 접하는 광전극층의 상부에 위치하는 나머지 광전극층이 1층 이상으로 적층되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
본 발명에서 광전극층 및 광산란층의 형태는 본 발명에서 구현하고자 하는 광산란층(4)에서 반사된 빛이 대부분 광전극층(5,5'5’’)으로 재입사하게 되므로 광전변환효율을 증대시킬 수 있는 형태에 해당하며 상기 바람직한 형태외에도 다양한 형태를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 광산란층(4)을 제외한 한층 이상의 반도체 미립자층은 광전극층(5,5',5")이며 티타늄 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어지고, 상기 광산란층(4)과 비교하여 평균 입자 크기가 작은 물질로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 광전극층(5,5',5")의 반도체 미립자의 크기는 10~ 200nm이며, 바람직하게는 15~100nm이고 더욱 바람직하게는 15~30nm를 나타낼 수 있다. 입자의 크기가 10nm미만일 경우, pore size의 저하로 염료 흡착에 어려움이 있으며, 전해질 침투가 어렵고, 입자의 크기가 200nm를 초과할 경우 광전극층(5,5',5")의 비표면적이 작아져 염료흡착이 어렵다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 첨가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
부호의 설명
1 : 지지 기판
2 : 도전성 기판
3 : 촉매 전극(제2전극)
4 : 광산란층
5, 5', 5" : 광전극층
6 : 투광성 기판
7 : 격벽
8 : 전해질
본 발명에 따르면, 투광성 기판, 도전성 기판, 도전성 기판위에 위치하는 이층이상의 다층 광전극층, 다층 광전극층 중 최상부에 위치한 광산란층, 전해질층, 촉매전극층, 지지기판으로 형성되고 봉지재로 밀봉되는 염료감응태양전지에 있어서, 광산란층은 도전성 기판과 접하고 있는 최하위 광전극층의 상단면 외곽과 접하면서 나머지 광전극층 전체를 피복하도록 구성하는 경우, 투광성 기판쪽으로 입사하여 전류생성과정을 거치지 않고 광전극층을 통과한 빛이 광산란층에서 반사되어 반도체 미립자층으로 재입사하여 전류 생성 과정을 다시 수행하게 되므로, 광전변환율을 증가시킬 수 있고, 도전성 기판에서 가장 가까운 곳에 위치한 최하층 광전극층의 옆면을 감싸지 않았으므로, 유효발전면적이 줄어들지 않으면서도 광산란층의 효과를 최대한 나타내어 발전 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 투광성 기판, 도전성 기판, 도전성 기판위에 위치하는 이층이상의 다층 광전극층, 다층 광전극층 중 최상부에 위치한 광산란층, 전해질층, 촉매전극층, 지지기판으로 형성되고 봉지재로 밀봉되는 염료감응태양전지에 있어서, 광산란층은 도전성 기판과 접하고 있는 최하위 광전극층의 상단면 외곽과 접하면서 나머지 광전극층 전체를 피복하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광산란층의 평균 입자 크기는 200~600nm인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광전극층의 평균 입자 크기는 10~200nm인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  4. 제1항에 있어서, 도전성 기판과 접하고 있는 광전극층의 길이가 도전성 기판에서 두번째 순서에 위치하는 이층 광전극층의 길이보다 4~10㎛ 긴 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  5. 제1항에 있어서, 도전성 기판과 접하고 있는 광전극층의 상단면과 하단면의 폭이 동일하게 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  6. 제1항에 있어서, 광전극층은 상단면과 하단면의 폭이 동일하게 구성되고, 광산란층의 폭이 위로 갈수록 좁아지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  7. 제 1항에 있어서, 광전극층의 상단면과 하단면의 폭이 동일하게 구성되고, 광산란층의 외주폭은 위로 수직으로 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  8. 제1항에 있어서, 도전성 기판과 접하고 있는 광전극층의 상단면이 하단면의 폭보다 좁게 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 도전성 기판과 접하고 있는 광전극층의 상단면이 하단면의 폭보다 좁게 구성되고, 광산란층의 폭이 위로 갈수록 좁아지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  10. 제1항에 있어서, 도전성 기판과 접하는 광전극층의 상부에 위치하는 나머지 광전극층이 1층 이상으로 적층되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  11. 제1항에 있어서, 상기 광산란층을 제외한 광전극층은 티타늄 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  12. 제1항에 있어서, 상기 광산란층은 TiO2, In2O3, SnO2, VO, VO2, V2O3, 및 V2O5로이루어진군에서선택된 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
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