WO2019124999A1 - 윈도우형 광발전 장치 - Google Patents

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wavelength
light
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solar cell
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PCT/KR2018/016302
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문준혁
하수진
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서강대학교산학협력단
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    • Y02E10/549—Organic PV cells

Definitions

  • the present invention provides a window-type photovoltaic device.
  • Solar cells can be classified into silicon, compound, CIGS, dye-sensitized, and organic solar cell depending on the structure and operation method.
  • the dye-sensitized solar cell can realize a photoelectric conversion when the light amount is small and the irradiation angle of the light is 10 degrees or more, and a transparent or translucent solar cell can be realized, and various colors can be realized according to the kind of the organic dye , And can be implemented in multiple stacks.
  • building integrated photovoltaics which is a building integrated photovoltaics (PV) system
  • PV building integrated photovoltaics
  • the present invention provides a window-type photovoltaic device having a window having excellent light transmittance and capable of high efficiency photovoltaic generation.
  • a frame portion provided on at least one side surface of the window-type light-collecting portion, wherein the window-type light-collecting portion includes a first light-converging portion for converting light of a wavelength region selected from ultraviolet to purple wavelength regions into light of a longer wavelength region
  • a first wavelength conversion layer including a wavelength conversion material and a second wavelength conversion layer including a second wavelength conversion material for converting light of a wavelength region selected from the infrared to red wavelength regions into light of a shorter wavelength region
  • the frame portion includes a solar cell at least on a part of a surface in contact with the window-type light collecting portion, and the light converted in the first wavelength conversion layer and the second wavelength conversion layer is totally reflected by the sun of the frame portion Type photovoltaic device according to the present invention.
  • the window-type photovoltaic device can realize a large-area transmissive portion, thereby solving the efficiency deterioration of the solar cell.
  • the window-type photovoltaic device can be realized in a large area, and has advantages of being able to replace photovoltaic power generation by windows of buildings, automobiles, and the like.
  • the area of the solar cell does not increase in proportion to the size of the light collecting portion, .
  • the window-type photovoltaic device according to one embodiment of the present invention is advantageous for BIPV (Building Integrated Photovoltaics).
  • FIG. 1 is a schematic view of a window-type photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 shows the principle of luminescence in the first wavelength conversion layer according to the first embodiment.
  • Fig. 3 shows the principle of luminescence in the second wavelength conversion layer according to the first embodiment.
  • FIG 5 shows the emission intensity of the second wavelength conversion layer according to the first embodiment in accordance with the excitation wavelength and the emission wavelength.
  • FIG. 6 shows a light transmission spectrum according to the wavelengths of the first wavelength conversion layer and the second wavelength conversion layer according to Example 1.
  • Example 7 shows absorption spectra of dyes of the dye-sensitized solar cell according to Example 1, and PL spectra of the first wavelength conversion layer and the second wavelength conversion layer.
  • FIG. 8 is a photograph of a window-type light collecting part according to the first embodiment taken by a digital camera.
  • FIG. 10 shows the light emission intensity according to the molar concentration of the sensitizer in the second wavelength conversion layer according to Reference Example 2.
  • FIG. 11 is a photograph of a window-type photovoltaic device according to the first embodiment taken by a digital camera.
  • a member when a member is located on another member, it includes not only the case where the member is in contact with the other member but also the case where another member exists between the two members.
  • transparent includes not only the case where the light transmittance of the material is 100% but also the case where the light transmittance is as high as about 80% or more.
  • the inventors of the present invention found that when a transparent or semitransparent solar cell is large-sized in the course of research on a window-type solar cell as a BIPV application, it is found that the efficiency is lowered and the light transmittance is lowered due to the solar cell. Accordingly, as a result of continuing research on a window solar cell having excellent efficiency and high light transmittance, the present inventors have developed the present invention.
  • the present invention does not provide a transparent or semi-transparent solar cell in a window region as in a conventional window-type solar cell, but also applies a window region as a light collecting portion to secure a high light transmittance of a window region, Type photovoltaic device with high efficiency through light collected from a window-type light collecting part equipped with a battery.
  • the window-type light condensing unit according to the present invention converts the wavelengths of infrared rays and ultraviolet rays near the light collecting unit into a visible ray region that can be absorbed by the solar cell, and transfers the wavelength to the solar cell through total internal reflection, The decrease in the transmittance was minimized, and the efficiency of the solar cell was greatly improved.
  • a frame portion provided on at least one side surface of the window-type light-collecting portion, wherein the window-type light-collecting portion includes a first light-converging portion for converting light of a wavelength region selected from ultraviolet to purple wavelength regions into light of a longer wavelength region
  • a first wavelength conversion layer including a wavelength conversion material and a second wavelength conversion layer including a second wavelength conversion material for converting light of a wavelength region selected from the infrared to red wavelength regions into light of a shorter wavelength region
  • the frame portion includes a solar cell at least on a part of a surface in contact with the window-type light collecting portion, and the light converted in the first wavelength conversion layer and the second wavelength conversion layer is totally reflected by the sun of the frame portion Type photovoltaic device according to the present invention.
  • the window-type light condensing unit can replace a conventional window, so that the window-type photovoltaic device can replace a building or an automobile window.
  • the frame portion may be provided on at least one side or all sides of the window-type light collecting portion.
  • the window-shaped frame part may be provided at an edge of the window-type photovoltaic device.
  • the first wavelength conversion layer and the second wavelength conversion layer may be provided in a laminated structure with respect to the light collecting surface of the window-type light collecting portion.
  • the first wavelength conversion layer and the second wavelength conversion layer may be laminated using an optical adhesive.
  • the first wavelength conversion layer may be provided on one surface of the light collecting surface, and the second wavelength conversion layer may be provided on the other surface.
  • the window type light condensing unit may further include a transparent substrate.
  • the window type light condensing unit may be formed only of a laminate of the first wavelength conversion layer and the second wavelength conversion layer.
  • 1 is a schematic view of a window-type photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.
  • 1 illustrates a window-type photovoltaic device having a window-type light-collecting portion in which a first wavelength-converting layer and a second wavelength-converting layer are stacked, and a frame portion having a solar cell on one side of the window- .
  • the first wavelength conversion layer converts the light of the ultraviolet or purple wavelength region of the incident sunlight into the light of the green wavelength
  • the second wavelength conversion layer converts the light of the incident infrared light or the red wavelength region of the incident sunlight into the light of the green wavelength
  • the converted light is transmitted to the solar cell through total internal reflection to perform photovoltaic generation.
  • the present invention is not limited to the structure of FIG. 1, and the frame portion may be provided on all the edges of the window-type light collecting portion.
  • the average light transmittance of the window-type light collecting part at a wavelength of 400 nm to 800 nm may be 50% or more. Specifically, it may be at least 60%.
  • the average light transmittance of the window-type light collecting portion at a wavelength of 400 nm to 800 nm may be 90% or less, 85% or less, or 80% or less.
  • the window type light condensing unit absorbs light in the ultraviolet to purple wavelength region in the first wavelength conversion layer and absorbs light in the infrared to red wavelength region in the second wavelength conversion layer, so that most visible light can be transmitted. Therefore, the window type light collecting unit can realize a very good light transmittance.
  • the first wavelength conversion layer and the second wavelength conversion layer may respectively transmit converted light to the side through total internal reflection. Accordingly, the photovoltaic cell provided in the rim portion can receive light converted from the first wavelength converter and the second wavelength converter to perform photovoltaic generation.
  • the window-type photovoltaic device when the window area is made large, the amount of light to be converted is increased, so that the solar cell of the frame part can perform photovoltaic generation with high efficiency.
  • This has the advantage of solving the problem of efficiency reduction caused by having a solar cell in a window region of a conventional window-type solar cell, and further has a merit that a high light transmittance can be realized because a solar cell is not provided in a window region .
  • the light converted in the first wavelength conversion layer and the second wavelength conversion layer may be light in a green wavelength region, respectively.
  • the first wavelength conversion layer and the second wavelength conversion layer emit light in a green wavelength region having the highest absorption efficiency in a solar cell, specifically, a dye-sensitized solar cell, and can transmit the light in a green wavelength range to the solar cell through total internal reflection . Accordingly, the photovoltaic cell of the frame portion has an advantage that photovoltaic generation can be performed with high efficiency.
  • the red wavelength region means a wavelength region of about 620 nm to about 780 nm
  • the green wavelength region means a wavelength region of about 495 nm to about 570 nm
  • the purple wavelength region has a wavelength of about 380 nm to about 450 nm It can mean area.
  • the first wavelength conversion layer absorbs light in a wavelength region selected from ultraviolet to violet wavelength regions, and converts the light into light in a longer wavelength region.
  • the average light transmittance of the first wavelength conversion layer at a wavelength of 400 nm to 800 nm may be 50% or more, 60% or more, or 70% or more. Also, the average light transmittance of the first wavelength conversion layer at a wavelength of 400 nm to 800 nm may be 80% or less, 85% or less, or 80% or less.
  • the first wavelength conversion layer can exhibit excellent light transmittance by using a resin having excellent light transmittance as a polymer matrix.
  • the first wavelength conversion layer may be one in which the first wavelength conversion material is dispersed in a polymer matrix.
  • the polymer matrix of the first wavelength conversion layer may be formed of a resin such as a polyurethane resin, a polyethylene resin, a polypropylene resin, an acrylic resin, a polyamide resin, a polypropylene resin, a polycarbonate resin, a polyethylene terephthalate resin , An epoxy-based resin, and a polyacetyl-based resin.
  • the first wavelength converting material is at least one selected from the group consisting of anthracene or derivatives thereof, coumarin or derivatives thereof, fluorescein or derivatives thereof, rhodamine, eosin, perylene or derivatives thereof, fluorenes or derivatives thereof, And at least one of stilbene or derivatives thereof.
  • the first wavelength converting material may be anthracene or a derivative thereof. More specifically, the first wavelength converting material may be anthracene or 9,10-bis (phenylethynyl) anthracene.
  • the first wavelength converting material is excited by absorbing light in a wavelength region selected from the ultraviolet to purple wavelength regions and then converted into a singlet state through vibrational relaxation. To emit light in the green wavelength region.
  • FIG. 2 shows a principle of luminescence of 9,10-bis (phenylethynyl) anthracene applied to the first wavelength conversion layer according to Example 1.
  • FIG. 2 shows that 9,10-bis (phenylethynyl) anthracene, which is the first wavelength conversion material of the first wavelength conversion layer, absorbs and excites light in the ultraviolet wavelength region, Emitting region of light.
  • the molar concentration of the first wavelength converting material may be 5 mM or more and 6.5 mM or less with respect to the first wavelength conversion layer.
  • the molar concentration of the first wavelength conversion material may be 5 mM or more and 6 mM or less, 5.3 mM or more and 5.7 mM or less, 5.5 or more and 6.6 or less, or 5.5 mM, for the first wavelength conversion layer.
  • the molar concentration of the first wavelength converting material may be a molar concentration with respect to the polymer matrix forming the first wavelength converting layer.
  • the intensity of emitted light extracted from the first wavelength converting layer may be very high.
  • the first wavelength converting material forms a precipitate in the first wavelength converting layer to prevent absorption of light, It may cause a decrease in the light emission intensity of the first wavelength conversion layer.
  • the second wavelength conversion layer absorbs light in a wavelength region selected from the infrared to red wavelength regions, and converts the light into light in a shorter wavelength region and emits the light.
  • the average light transmittance of the second wavelength conversion layer at a wavelength of 400 nm to 800 nm may be 50% or more, 60% or more, or 70% or more.
  • the average light transmittance of the second wavelength conversion layer at a wavelength of 400 nm to 800 nm may be 90% or less, 85% or less, or 80% or less.
  • the first wavelength conversion layer can exhibit excellent light transmittance by using a resin having excellent light transmittance as a polymer matrix.
  • the second wavelength conversion layer may be one in which the second wavelength conversion material is dispersed in the polymer matrix.
  • the polymer matrix of the second wavelength conversion layer may be formed of a resin such as a polyurethane resin, a polyethylene resin, a polypropylene resin, an acrylic resin, a polyamide resin, a polypropylene resin, a polycarbonate resin, a polyethylene terephthalate resin , An epoxy-based resin, and a polyacetyl-based resin.
  • the second wavelength converting material may include a fluorescent pair composed of a receptor and a sensitizer.
  • the sensitizer absorbs light in a wavelength region selected from the infrared to red wavelength regions, and is converted into a triplet state through intersystem crossing (ISC). Further, the energy of the triplet state of the sensitizer is 3 It is transferred to adjacent receptors through a triple-triple energy transfer (TTET) process. Thereafter, a triplet-triplet annihilation (TTA) occurs between the two receptors in the triplet state, forming a singlet state receptor, and a shorter wavelength region than the absorbed light, specifically a light in the green wavelength region .
  • ISC intersystem crossing
  • TET triple-triple energy transfer
  • FIG. 3 shows a principle of luminescence of a sensitizer / receptor fluorescent pair of PdTPBP / BPEA applied to the second wavelength conversion layer according to the first embodiment. That is, FIG. 3 shows a process of absorbing light in the infrared to red wavelength range and releasing light in the green wavelength range in the sensitizer / receptor fluorescent pair of PdTPBP / BPEA in the second wavelength conversion layer.
  • the receptor is selected from the group consisting of anthracene or derivatives thereof, coumarin or derivatives thereof, fluorescein or derivatives thereof, rhodamine, eosin, perylene or derivatives thereof, fluorene or derivatives thereof, And derivatives thereof.
  • the receptor may be at least one selected from the group consisting of 9,10-bis (phenylethynyl) anthracene, perylene and 10-diphenylanthracene, . More specifically, the acceptor may be 9,10-bis (phenylethynyl) anthracene.
  • the sensitizer is selected from the group consisting of palladium-tetraphenyltetrabenzoporphyrin, palladium (II) octaethylporphyrin and platinum (II) octaethylporphyrin. (II) octaethylporphyrin).
  • the sensitizer may be palladium-tetraphenyl tetrabenzoporphyrin (PdTPBP).
  • the molar concentration of the sensitizer may be 0.05 M or more and 0.2 M or less with respect to the second wavelength conversion layer. Specifically, the molar concentration of the sensitizer may be 0.05 M or more and 0.15 M or less, 0.05 M or more and 0.11 M or less, or 0.07 M or more and 0.13 M or less, with respect to the second wavelength conversion layer.
  • the molar concentration of the sensitizer may be a molar concentration with respect to the polymer matrix forming the second wavelength conversion layer.
  • the intensity of light emitted from the converted second wavelength conversion layer may be very high.
  • the concentration of the sensitizer becomes too high, and a process of transferring the energy from the receptor to the sensitizer may occur, and thus the light emission intensity may be lowered.
  • the molar ratio of the sensitizer to the acceptor may be 1:10 to 1: 1000. Specifically, the molar ratio of the sensitizer to the acceptor may be 1:20 to 1: 700 or 1:50 to 1: 600.
  • the second wavelength conversion layer effectively extinguishes the triplet-triplet in the sensitizer, thereby realizing high light emission intensity.
  • the solar cell provided in the frame part may be at least one of a silicon solar cell, an organic solar cell, a CIGS solar cell, a dye sensitized solar cell, a compound solar cell, and a perovskite solar cell . ≪ / RTI > Specifically, in consideration of a decrease in efficiency due to the price and incident angle of the solar cell, the dye-sensitized solar cell may be suitable as the solar cell provided in the frame portion.
  • dye-sensitized solar cells can achieve high efficiency by applying a dye that absorbs light in the green wavelength range, when a solar cell provided in the frame portion is applied as a dye-sensitized solar cell, It is possible to effectively utilize the light in the wavelength region converted by the window-type light collecting portion.
  • the silicon-based solar cell, the organic solar cell, the CIGS solar cell, the dye-sensitized solar cell, the compound solar cell, and the structure of the perovskite solar cell are commonly used in the art, and detailed description thereof will be omitted.
  • the first wavelength conversion layer and the second wavelength conversion layer were laminated using an optical adhesive to prepare a window-type light collecting portion having a size of 5 cm x 1 cm x 2 mm.
  • TiO 2 nanoparticle paste (DSL 18NR-T, Dyesol) was coated on the FTO (fluorinated tin oxide) substrate by doctor blade coating and heat treated at 500 ° C for 15 minutes to prepare a TiO 2 photoelectrode.
  • the TiO 2 photoelectrode was immersed in a dye solution (D205, Mitsubishi Paper Mills Limited, 0.5 mM) at room temperature for 12 hours to sensitize the TiO 2 nanoparticles to the dye.
  • a 0.5 m H 2 PtCl 6 solution was coated on a fluorinated tin oxide (FTO) substrate and then heat treated at 450 ° C for 30 minutes to prepare a Pt counter electrode.
  • FTO fluorinated tin oxide
  • a dye-sensitized solar cell comprising a TiO 2 photoelectrode containing TiO 2 nanoparticles sensitized with the dye, the photoactive layer and the Pt counter electrode having an effective area of 1 cm ⁇ 1 mm was prepared .
  • the dye-sensitized solar cell was attached to a frame portion using an epoxy adhesive to prepare a frame portion having a dye-sensitized solar cell.
  • a window type photovoltaic device was manufactured by attaching the frame portion using an optical adhesive so as to contact the dye sensitized solar cell on the side (1 cm x 2 mm) of the window type light collecting portion.
  • the first wavelength-tunable layer and the second wavelength-converted layer were fabricated to have a size of 2 cm x 2 cm x 1 mm, and the size of the window-type light-collecting portion was 2 cm x 2 cm x 2 mm,
  • a window type photovoltaic device was manufactured in the same manner as in Example 1, except that four frame portions were provided so as to contact the solar cell.
  • a window type photovoltaic device was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the second wavelength conversion layer was not included.
  • a dye-sensitized solar cell having an area of 2 cm ⁇ 2 cm in size was prepared in the same manner as in the preparation of the dye-sensitized solar cell of Example 1.
  • BPEA which is the first wavelength conversion material of the first wavelength conversion layer, absorbs light having a wavelength of about 300 nm to about 500 nm and emits light having a wavelength of about 510 nm to about 540 nm.
  • the sensitizer / receptor fluorescent pair of PdTPBP / BPEA which is the second wavelength converting material of the second wavelength conversion layer, absorbs light having a wavelength of about 600 nm to about 650 nm and emits light having a wavelength of about 500 nm to about 550 nm As shown in FIG.
  • FIG. 6 shows a light transmission spectrum according to the wavelengths of the first wavelength conversion layer and the second wavelength conversion layer according to Example 1.
  • Fig. Referring to FIG. 6, light incident on the first wavelength conversion layer is absorbed by light in a wavelength range of about 300 nm to about 430 nm, so that light in a visible light range is transmitted. It can be seen that light is absorbed in the wavelength region of about 600 nm to about 650 nm and the remaining visible light region is transmitted.
  • the window type light condensing unit can transmit most visible light and realize high transparency.
  • the high transparency of the window-type light collecting portion can be confirmed from FIG.
  • FIG. 8 is a photograph of a window-type light collecting part according to the first embodiment taken by a digital camera.
  • the left image in FIG. 8 is photographed focusing on the window-type light collecting portion, and the right image is photographed focusing on the transmitted region.
  • the window-type light condensing unit exhibits very good transparency.
  • the window type photovoltaic device according to the first embodiment can achieve a very high efficiency.
  • absorption spectra were measured using UV-vis spectroscopy (SHIMADZU, UV-2550).
  • UV-vis spectroscopy SHIMADZU, UV-2550
  • the measurement of the PL spectrum was performed using a spectrofluorophotometer (SHIMADZU, RF-6000).
  • light intensity was adjusted to 100 mW / cm 2 using an Si reference cell (BS-520, Bunko-Keiki).
  • a first wavelength conversion layer was prepared in the same manner as in Example 1, except that the molarity of BPEA as the first wavelength conversion material of the first wavelength conversion layer was adjusted to 4.4 mM to 7.7 mM. Furthermore, the emission intensity of the first wavelength conversion layer due to light absorption according to the molar concentration of BPEA was measured.
  • FIG. 9 is a graph showing the emission intensity of the first wavelength conversion material according to the molar concentration of the first wavelength converting material in Reference Example 1. According to FIG. 9, the highest light emission intensity is obtained when the molar concentration of BPEA is 5.5 mM, and the light emission intensity is lowered when the molar concentration of BPEA is out of 5.5 mM.
  • a second wavelength conversion layer was prepared in the same manner as in Example 1, except that the molar concentration of PdTPBP, which is a sensitizer of the second wavelength conversion layer, was adjusted to 0.05 M to 0.45 M. Further, the light emission intensity of the second wavelength conversion layer due to light absorption according to the molar concentration of PdTPBP was measured.
  • FIG. 10 shows the light emission intensity according to the molar concentration of the sensitizer in the second wavelength conversion layer according to Reference Example 2.
  • Fig. According to FIG. 10, when the molar concentration of PdTPBP is 0.11 M, the light emission intensity is the highest, and when the molar concentration of PdTPBP is outside 0.11 M, the light emission intensity is lowered.
  • 11 is a photograph of a window-type photovoltaic device according to the first embodiment taken by a digital camera.
  • 11 is a photograph of a window-type photovoltaic device according to Example 1 in which a frame portion is attached to a side surface of a window-type light collecting portion so as to contact with a dye-sensitized solar cell.
  • a frame portion is attached to a side surface of a window-type light collecting portion so as to contact with a dye-sensitized solar cell.
  • it can be easily manufactured in a large area.
  • the JV characteristic of a dye-sensitized solar cell is measured using a source meter (Keithley Instruments) under simulated solar light provided by a solar simulator (a 1,000 W Xe lamp with an AM 1.5 G filter) Respectively.
  • the window type photovoltaic devices according to Example 1 and Comparative Example 1 including a window type light collecting portion having an area of 5 cm x 1 cm and a dye sensitized solar cell having an effective area of 1 cm x 1 mm were compared It can be seen that the window type photovoltaic device according to the first embodiment includes both the first and second wavelength conversion layers and can realize higher efficiency than the window type photovoltaic device according to the first comparative example. Specifically, the short-circuit current (J sc ) and photoelectric conversion efficiency (?) Values of the window-type photovoltaic device according to Example 1 were about 14% and 13% higher than those of the window- .
  • FIG. 12 shows the J-V curves of Example 2 and Comparative Example 2.
  • Fig. 12 shows that the window-type photovoltaic device according to Example 2 exhibits far superior efficiency as compared with the dye-sensitized solar cell according to Comparative Example 2 having an effective area of the same size as that of the window- have.
  • the photoelectric conversion efficiency (?) Of the dye-sensitized solar cell according to Comparative Example 2 was 2.8%.
  • Comparative Example 2 in which the area of the dye-sensitized solar cell was extended to the area of the window-type light collecting portion of Example 2, the resistance increased as the area of the dye-sensitized solar cell increased, and the FF (fill factor) And thus the photoelectric conversion efficiency is drastically reduced.
  • the window type photovoltaic device can prevent the deterioration of the photovoltaic conversion efficiency due to the large area as in conventional solar cells even when the area of the window- And it is possible to realize a high photoelectric conversion efficiency even when a large-area light-collecting portion is used as a window.

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Abstract

본 발명은 윈도우형 집광부 및 프레임부를 포함하고, 집광부는 제1 및 제2 파장변환층을 포함하며, 제1 및 제2 파장변환층에서 변환된 빛은 내부 전반사에 의하여 프레임부에 구비된 태양전지에 전달되는 윈도우형 광발전 장치를 제공한다.

Description

윈도우형 광발전 장치
본 명세서는 2017년 12월 20일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제 10-2017-0176332호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 발명에 포함된다.
본 발명은 윈도우형 광발전 장치를 제공한다.
최근에 이르러 청정 에너지에 대한 관심이 높아지면서, 태양광을 이용하여 전력을 생산하는데 대한 관심도 크게 증가되고 있다.
태양 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 소자를 통상 태양전지로 칭하고 있다. 태양전지는 그 구조나 동작 방식에 따라 실리콘, 화합물, CIGS, 염료감응형, 유기물 태양전지 등으로 구분할 수 있다. 이 중 염료감응형 태양전지는 광량이 적고 빛의 조사 각도가 10 도 이상만 되면 광전변환이 가능하고, 투명 또는 반투명의 태양전지를 구현할 수 있으며, 유기 염료의 종류에 따라 다양한 색상 구현이 가능하고, 다중 적층형으로 구현할 수 있는 등 다양한 장점을 갖고 있다.
나아가, 태양광 발전시스템 중 빌딩 일체형 태양광발전 즉, BIPV (Building Integrated Photovoltaics)는 태양전지 모듈을 건축 자재화하여 건물에 적용함으로써 경제성은 물론 각종 부가가치를 높여 보다 효율적으로 태양광 발전을 보급 활성화 시킬 수 있는 방식이다.
다만, 대면적의 유리창에 투명 또는 반투명한 태양전지를 적용하는 경우, 전극 면적의 증가에 따른 태양전지의 효율 저하가 수반되므로, 이를 해결하기 위한 연구가 필요한 실정이다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
한국 공개공보: KR 10-2015-0029801 A
본 발명은 우수한 광투과율을 가지는 윈도우를 가지며, 높은 효율의 광발전을 할 수 있는 윈도우형 광발전 장치를 제공한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시상태는, 윈도우형 집광부; 및 상기 윈도우형 집광부의 적어도 일 측면에 구비되는 프레임부;를 포함하고, 상기 윈도우형 집광부는, 자외선 내지 자색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 이보다 긴 파장 영역의 빛으로 변환시키는 제1 파장변환물질을 포함하는 제1 파장변환층, 및 적외선 내지 적색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 이보다 짧은 파장 영역의 빛으로 변환시키는 제2 파장변환물질을 포함하는 제2 파장변환층을 포함하며, 상기 프레임부는, 상기 윈도우형 집광부와 접하는 면의 적어도 일부에 태양전지를 구비하고, 상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층에서 변환된 빛은 내부 전반사에 의하여 상기 프레임부의 태양전지에 전달되는 것인 윈도우형 광발전 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 윈도우형 광발전 장치는 대면적의 투과부를 구현할 수 있으며, 이에 따른 태양전지의 효율 저하를 해결할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 윈도우형 광발전 장치는 대면적으로 구현이 가능하여, 건물, 자동차 등의 구조물의 창을 대체하여 광발전이 가능한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 윈도우형 광발전 장치는 태양전지가 집광부의 테두리의 프레임부에 구비되므로, 집광부의 대면적화를 하더라도 이에 비례하여 태양전지의 면적이 늘어나지 않아 가격 경쟁력이 높은 장점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 윈도우형 광발전 장치는 BIPV(Building Integrated Photovoltaics)용으로 적합한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 윈도우형 광발전 장치의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1에 따른 제1 파장변환층에서의 발광 원리를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1에 따른 제2 파장변환층에서의 발광 원리를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1에 따른 제1 파장변환층에서의 여기 파장 및 방출 파장에 따른 발광 강도를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1에 따른 제2 파장변환층에서의 여기 파장 및 방출 파장에 따른 발광 강도를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1에 따른 제1 파장변환층 및 제2 파장변환층의 파장에 따른 광투과 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 1에 따른 염료감응형 태양전지의 염료의 흡수 스펙트럼, 및 제1 파장변환층과 제2 파장변환층의 PL 스펙트럼(Photoluminescence Spectrum)을 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1에 따른 윈도우형 집광부를 디지털 카메라로 촬영한 것이다.
도 9는 참고예 1에 따른 제1 파장변환층에서의 제1 파장변환물질의 몰 농도에 따른 발광 강도를 나타낸 것이다.
도 10은 참고예 2에 따른 제2 파장변환층에서의 증감제의 몰 농도에 따른 발광 강도를 나타낸 것이다.
도 11은 실시예 1에 따른 윈도우형 광발전 장치를 디지털 카메라로 촬영한 것이다.
도 12는 실시예 2 및 비교예 2의 J-V 커브를 나타낸 것이다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에 있어서, "투명"은 소재의 광투과율이 100 %인 경우뿐만 아니라 광 투과율이 약 80 % 이상으로 높은 경우를 모두 포함한다.
본 발명자들은 BIPV 용도로서의 윈도우형 태양전지에 대한 연구를 하는 도중, 투명 또는 반투명 태양전지를 대면적화하는 경우, 효율 저하 및 태양전지로 인한 광투과율의 저하 등의 문제점이 있는 것을 발견하였다. 이에, 효율이 우수하고 높은 광투과율을 가지는 창문형 태양전지에 대한 연구를 지속한 결과, 본 발명을 개발하기에 이르렀다.
구체적으로, 본 발명은 기존의 윈도우형 태양전지와 같이 투명 또는 반투명 태양전지를 윈도우 영역에 구비하는 것이 아니라, 윈도우 영역을 집광부로 적용하여 윈도우 영역의 높은 광투과율을 확보하고, 프레임부에 태양전지를 구비하여 윈도우형 집광부로부터 수집되는 광을 통하여 높은 효율의 윈도우형 광발전 장치를 개발하기에 이르렀다. 나아가, 본 발명에 따른 윈도우형 집광부는 집광부에 적외선 및 자외선 부근의 파장을 태양전지가 흡수할 수 있는 가시광선 영역으로 전환하고, 이를 내부 전반사를 통하여 태양전지로 전달하게 되어, 윈도우 영역의 광투과율 저하를 최소화하고, 태양전지의 효율을 크게 향상시킬 수 있었다.
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는, 윈도우형 집광부; 및 상기 윈도우형 집광부의 적어도 일 측면에 구비되는 프레임부;를 포함하고, 상기 윈도우형 집광부는, 자외선 내지 자색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 이보다 긴 파장 영역의 빛으로 변환시키는 제1 파장변환물질을 포함하는 제1 파장변환층, 및 적외선 내지 적색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 이보다 짧은 파장 영역의 빛으로 변환시키는 제2 파장변환물질을 포함하는 제2 파장변환층을 포함하며, 상기 프레임부는, 상기 윈도우형 집광부와 접하는 면의 적어도 일부에 태양전지를 구비하고, 상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층에서 변환된 빛은 내부 전반사에 의하여 상기 프레임부의 태양전지에 전달되는 것인 윈도우형 광발전 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 윈도우형 집광부는 기존의 윈도우를 대체할 수 있으므로, 상기 윈도우형 광발전 장치는 건물 또는 자동차용 유리창을 대체할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 프레임부는 상기 윈도우형 집광부의 적어도 일 측면 또는 전체 측면에 구비되는 것일 수 있다. 상기 윈도우형 프레임부는 상기 윈도우형 광발전 장치의 테두리에 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층은 상기 윈도우형 집광부의 집광면에 대하여 적층 구조로 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 파장변환층과 상기 제2 파장변환층은 광학용 접착제를 이용하여 라미네이트된 것일 수 있다. 일 예로, 상기 윈도우형 집광부에 있어서, 집광면의 일면은 상기 제1 파장변환층이 구비되고, 타면은 상기 제2 파장변환층이 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 윈도우형 집광부는 투명 기재를 더 포함할 수 있다. 다만, 광투과율을 고려하여, 상기 윈도우형 집광부는 상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층의 적층체로만 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 윈도우형 광발전 장치의 모식도를 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 1은 제1 파장변환층 및 제2 파장변환층이 적층된 윈도우형 집광부 및 윈도우형 집광부의 일측면에 태양전지를 구비한 프레임부가 구비된 윈도우형 광발전 장치를 나타낸 것이다. 제1 파장변환층은 입사된 태양광의 자외선 내지 자색 파장 영역의 빛을 녹색 파장의 빛으로 변환하고, 제2 파장변환층은 입사된 태양광의 적외선 내지 적색 파장 영역의 빛을 녹색 파장의 빛으로 변환하며, 변환된 빛은 내부 전반사를 통하여 태양전지에 전달하여 광발전을 하게 된다. 다만, 본 발명은 도 1의 구조에 한정되는 것이 아니며, 프레임부는 윈도우형 집광부의 모든 테두리에 구비될 수도 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 윈도우형 집광부의 400 ㎚ 내지 800 ㎚ 파장에서의 평균 광투과율은 50 % 이상일 수 있다. 구체적으로, 60 % 이상일 수 있다. 또한, 상기 윈도우형 집광부의 400 ㎚ 내지 800 ㎚ 파장에서의 평균 광투과율은 90 % 이하, 85 % 이하 또는 80 % 이하일 수 있다.
상기 윈도우형 집광부는 제1 파장변환층에서 자외선 내지 자색 파장 영역의 빛을 흡수하고, 제2 파장변환층에서 적외선 내지 적색 파장 영역의 빛을 흡수하므로, 대부분의 가시광선을 투과시킬 수 있다. 따라서, 상기 윈도우형 집광부는 매우 우수한 광투과율을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층은 각각 변환된 빛을 내부 전반사를 통하여 측면으로 전달할 수 있다. 이를 통하여, 상기 테두리부에 구비된 태양전지는 상기 제1 파장변환부 및 상기 제2 파장변환부에서 변환된 빛을 수용하여 광발전을 할 수 있다.
본 발명에 따른 윈도우형 광발전 장치는 윈도우 영역을 대면적으로 하는 경우 변환되는 빛의 양은 많아지게 되며, 이에 따라 상기 프레임부의 태양전지는 높은 효율로 광발전을 할 수 있다. 이는 기존의 윈도우형 태양전지의 윈도우 영역에 태양전지를 구비하여 발생하는 효율 저하의 문제점을 해결할 수 있는 이점이 있으며, 나아가 윈도우 영역에 태양전지를 구비하지 않으므로 높은 광투과율을 구현할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층에서 변환된 빛은 각각 녹색 파장 영역의 빛일 수 있다.
상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층은 태양전지, 구체적으로 염료감응형 태양전지에서 가장 흡수 효율이 높은 녹색 파장 영역의 빛을 방출하고, 이를 내부 전반사를 통하여 태양전지에 전달할 수 있다. 이를 통하여, 상기 프레임부의 태양전지는 높은 효율로 광발전을 할 수 있는 이점이 있다.
본 명세서에서, 적색 파장 영역은 약 620 ㎚ 내지 약 780 ㎚ 파장 영역을 의미하고, 녹색 파장 영역은 약 495 ㎚ 내지 약 570 ㎚ 파장 영역을 의미하며, 자색 파장 영역은 약 380 ㎚ 내지 약 450 ㎚ 파장 영역을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 파장변환층은 자외선 내지 자색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 흡수하고, 이보다 긴 파장 영역의 빛으로 변환하여 방출할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 파장변환층의 400 ㎚ 내지 800 ㎚ 파장에서의 평균 광투과율은 50 % 이상 60 % 이상 또는 70 % 이상일 수 있다. 또한, 상기 제1 파장변환층의 400 ㎚ 내지 800 ㎚ 파장에서의 평균 광투과율은 80 % 이하, 85 % 이하 또는 80 % 이하일 수 있다. 상기 제1 파장 변환층은 광투과율이 우수한 수지를 고분자 매트릭스로 사용하여 우수한 광투과율을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 파장변환층은 고분자 매트릭스 내에 상기 제1 파장변환물질이 분산된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 파장 변환층의 상기 고분자 매트릭스는 폴리우레탄계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 폴리프로필렌계 수지, 아크릴계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리프로필렌계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트계 수지, 에폭시계 수지 및 폴리아세틸계 수지 중 적어도 1종을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 파장변환물질은 안트라센 또는 이의 유도체, 쿠마린 또는 이의 유도체, 플루오레세인 또는 이의 유도체, 로다민, 에오신, 페릴렌 또는 이의 유도체, 플루오렌 또는 이의 유도체, 및 스틸벤 또는 이의 유도체 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 파장변환물질은 안트라센 또는 이의 유도체일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 파장변환물질은 안트라센 또는 9,10-비스(페닐에티닐)안트라센(9,10-bis(phenylethynyl)anthracene)일 수 있다.
상기 제1 파장변환물질은 자외선 내지 자색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 흡수하여 여기된 후, 진동이완(vibrational relaxation)을 통하여 1중항 상태로 전환되며, 흡수한 빛보다 긴 파장 영역, 구체적으로 녹색 파장 영역의 빛을 방출할 수 있다. 구체적으로, 도 2는 실시예 1에 따른 제1 파장변환층에 적용한 9,10-비스(페닐에티닐)안트라센(9,10-bis(phenylethynyl)anthracene)의 발광 원리를 나타낸 것이다. 즉, 도 2는, 제1 파장변환층의 제1 파장변환물질인 9,10-비스(페닐에티닐)안트라센이 자외선 파장 영역의 빛을 흡수하여 여기된 후, 1중항 상태로 전환되며 녹색 파장 영역의 빛을 방출하는 과정을 나타내고 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 파장변환물질의 몰 농도는 상기 제1 파장변환층에 대하여 5 mM 이상 6.5 mM 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 파장변환물질의 몰 농도는 상기 제1 파장변환층에 대하여 5 mM 이상 6 mM 이하, 5.3 mM 이상 5.7 mM 이하, 5.5 이상 6.6 이하 또는 5.5 mM일 수 있다.
상기 제1 파장변환물질의 몰 농도는 상기 제1 파장변환층을 형성하는 고분자 매트릭스에 대한 몰 농도일 수 있다. 상기 제1 파장변환물질의 몰 농도가 상기 범위 내인 경우, 변환된 빛이 상기 제1 파장 변환층에서 추출되는 발광 강도가 매우 높게 구현될 수 있다. 나아가, 상기 제1 파장변환물질의 몰 농도가 상기 범위를 초과하는 경우, 상기 제1 파장변환물질은 상기 제1 파장변환층 내에 침전물을 형성하여 광흡수를 방해하고, 발광된 빛을 흡수하여 상기 제1 파장변환층의 발광 강도를 낮추는 원인이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 파장변환층은 적외선 내지 적색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 흡수하고, 이보다 짧은 파장 영역의 빛으로 변환하여 방출할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 파장변환층의 400 ㎚ 내지 800 ㎚ 파장에서의 평균 광투과율은 50 % 이상, 60 % 이상 또는 70 % 이상일 수 있다. 또한, 상기 제2 파장변환층의 400 ㎚ 내지 800 ㎚ 파장에서의 평균 광투과율은 90 % 이하, 85 % 이하 또는 80 % 이하일 수 있다. 상기 제1 파장 변환층은 광투과율이 우수한 수지를 고분자 매트릭스로 사용하여 우수한 광투과율을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 파장변환층은 고분자 매트릭스 내에 상기 제2 파장변환물질이 분산된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 파장 변환층의 상기 고분자 매트릭스는 폴리우레탄계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 폴리프로필렌계 수지, 아크릴계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리프로필렌계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트계 수지, 에폭시계 수지 및 폴리아세틸계 수지 중 적어도 1종을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 파장변환물질은 수용체 및 증감제로 이루어진 형광쌍을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 증감제는 적외선 내지 적색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 흡수하여 항간 교차(ISC; intersystem crossing)를 거쳐 3중항 상태로 전환되고, 나아가 증감제의 3중항 상태의 에너지는 3중항-3중항 에너지 전달(TTET; triple-triple energy transfer) 과정을 통하여 인접한 수용체로 전달된다. 이후, 3중항 상태의 두 수용체 사이에서 3중항-3중항 소멸(TTA; triplet-triplet annihilation)이 일어나, 1중항 상태의 수용체를 형성하며 흡수한 빛보다 짧은 파장 영역, 구체적으로 녹색 파장 영역의 빛을 방출할 수 있다. 구체적으로, 도 3은 실시예 1에 따른 제2 파장변환층에 적용한 PdTPBP/BPEA의 증감제/수용체 형광쌍의 발광 원리를 나타낸 것이다. 즉, 도 3은, 제2 파장변환층에서의 PdTPBP/BPEA의 증감제/수용체 형광쌍에서 적외선 내지 적색 파장 영역의 빛을 흡수한 후 녹색 파장 영역의 빛을 방출하는 과정을 나타내고 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 수용체는 안트라센 또는 이의 유도체, 쿠마린 또는 이의 유도체, 플루오레세인 또는 이의 유도체, 로다민, 에오신, 페릴렌 또는 이의 유도체, 플루오렌 또는 이의 유도체, 및 스틸벤 또는 이의 유도체 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 수용체는 9,10-비스(페닐에티닐)안트라센(9,10-bis(phenylethynyl)anthracene), 페릴렌(perylene) 및 10-디페닐안트라센(10-diphenylanthracene) 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 수용체는 9,10-비스(페닐에티닐)안트라센일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 증감제는 팔라듐-테트라페닐테트라벤조포르피린(palladium-tetraphenyltetrabenzoporphyrin), 팔라듐(II)옥타에틸포르피린(palladium(II) octaethylporphyrin) 및 플래티넘(II) 옥타에틸포르피린(platinum(II)octaethylporphyrin) 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 증감제는 팔라듐-테트라페닐테트라벤조포르피린(PdTPBP)일 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 증감제의 몰 농도는 상기 제2 파장변환층에 대하여 0.05 M 이상 0.2 M 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 증감제의 몰 농도는 상기 제2 파장변환층에 대하여 0.05 M 이상 0.15 M 이하, 0.05 M 이상 0.11M 이하 또는 0.07 M 이상 0.13 M 이하일 수 있다.
상기 증감제의 몰 농도는 상기 제2 파장변환층을 형성하는 고분자 매트릭스에 대한 몰 농도일 수 있다. 상기 증감제의 몰 농도가 상기 범위 내인 경우, 변환된 빛이 상기 제2 파장 변환층에서 추출되는 발광 강도가 매우 높게 구현될 수 있다. 나아가, 상기 증감제의 몰 농도가 상기 범위를 초과하는 경우, 증감제의 농도가 너무 높아져, 수용체로부터 증감제로의 역 에너지 전달 과정이 일어날 수 있으며, 이에 따라 발광 강도의 저하가 발생될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 증감제와 수용체의 몰비는 1:10 내지 1:1000 일 수 있다. 구체적으로, 상기 증감제와 수용체의 몰비는 1:20 내지 1:700 또는 1:50 내지 1:600 일 수 있다.
상기 증감제와 수용체의 몰비가 상기 범위 내인 경우, 상기 제2 파장변환층은 증감제에서의 3중항-3중항 소멸이 효과적으로 발생하여 높은 발광 강도를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 프레임부에 구비되는 태양전지는 실리콘계 태양전지, 유기 태양전지, CIGS 태양전지, 염료감응형 태양전지, 화합물 태양전지 및 페로브스카이트 태양전지 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 구체적으로, 태양전지의 가격 및 입사각에 따른 효율 저하 등을 고려하면, 상기 프레임부에 구비되는 태양전지는 염료감응형 태양전지가 적합할 수 있다. 또한, 염료감응형 태양전지에서 녹색 파장 영역의 빛을 흡수하는 염료를 적용하여 높은 효율을 구현할 수 있는 것이 알려져 있으므로, 상기 프레임부에 구비되는 태양전지를 염료감응형 태양전지로 적용하는 경우, 상기 윈도우형 집광부에서 변환되는 파장 영역의 빛을 효과적으로 활용할 수 있다.
상기 실리콘계 태양전지, 유기 태양전지, CIGS 태양전지, 염료감응형 태양전지, 화합물 태양전지, 및 페로브스카이트 태양전지의 구조 등은 당업계에서 통용되는 것으로서, 자세한 기술은 생략한다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
[ 실시예 1]
윈도우형 집광부의 제조
클로로포름 1 ㎖에 2.5 mg의 BPEA(Sigma-Aldrich)를 혼합한 용액을 폴리우레탄(Clear FlexTM 50)과 혼합한 후, 회전식 증발기를 이용하여 클로로포름을 제거하여 조성물을 제조하였다. 이 때, BPEA의 몰 농도는 5.5 mM이었다. 나아가, 유리 기판 상에 제조된 조성물을 도포하고, 추가의 유리 기판으로 압착한 후, 60 ℃ 내지 70 ℃에서 12 시간 동안 열경화하고, 유리 기판을 제거하여, 크기가 5 cm × 1 cm × 1 ㎜인 제1 파장변환층을 제조하였다.
클로로포름 1 ㎖에 1 mg의 PdTPBP(Chemodex)와 2.5 mg의 BPEA(Sigma-Aldrich)를 혼합한 용액을 폴리우레탄(Clear Flex 50)과 혼합한 후, 회전식 증발기를 이용하여 클로로포름을 제거하였다. 이 때, PdTPBP 의 몰 농도는 0.11 M 였으며, BPEA 의 몰 농도는 6 M이었다. 나아가, 유리 기판 상에 제조된 조성물을 도포하고, 추가의 유리 기판으로 압착한 후, 60 ℃ 내지 70 ℃에서 12 시간 동안 열경화하고, 유리 기판을 제거하여, 크기가 5 cm × 1 cm × 1 ㎜인 제2 파장변환층을 제조하였다.
상기 제조된 제1 파장변환층과 제2 파장변환층을 광학 접착제를 이용하여 라미네이션하여 크기가 5 ㎝ × 1 ㎝ × 2 mm인 윈도우형 집광부를 제조하였다.
염료감응형 태양전지 및 이를 구비한 프레임부의 제조
FTO(fluorinated tin oxide) 기재 상에 닥터 블레이드 코팅을 하여 TiO2 나노 입자 페이스트(DSL 18NR-T, Dyesol)를 도포하고, 500 ℃에서 15 분간 열처리하여 TiO2 광전극을 제조하였다. 상기 TiO2 광전극을 12 시간 동안 상온에서 염료 용액(D205, Mitsubishi Paper Mills Limited, 0.5 mM)에 침지시켜 TiO2 나노 입자를 염료로 감응시켰다.
FTO(fluorinated tin oxide) 기재 상에 0.5 mM H2PtCl6 용액을 코팅한 후, 450 ℃에서 30 분 동안 열처리하여 Pt 상대 전극을 제조하였다.
상기 염료로 감응시킨 TiO2 나노 입자를 포함하는 TiO2 광전극과 상기 Pt 상대 전극 사이의 갭(gap)이 60 ㎛가 되도록 60 ㎛ 두께의 스페이서 필름(Surlyn, DuPont)을 이용하여 고정하였다. 나아가, 아세토니트릴(Sigma-Aldrich) 및 발레로니트릴(Sigma-Aldrich) (85:15 v/v)을 함유하는 용액에 25 mM LiI(Sigma-Aldrich), 55 mM I2(Yakuri), 0.6 M 디메틸-프로필 이미다졸 아이오다이드(DMPII, TCI), 0.1 M 구아나이디니움 티오시아네이트(GuSCN, Aldrich), 22 mM 트리스(2,2'-비피리딘)코발트(II) 비스(헥사플루오로포스페이트)(Co(bpy)3(PF6)2)(Dyenamo) 및 5 mM 트리스(2,2'-비피리딘)코발트(III) 트리스(헥사플루오로포스페이트)(Co(bpy)3(PF6)3(Dyenamo)를 혼합하여 제조된 전해액을 상기 스페이서 필름에 주입하여 광활성층을 제조하였다.
결과적으로, 상기 염료로 감응시킨 TiO2 나노 입자를 포함하는 TiO2 광전극 상기 광활성층 및 상기 Pt 상대 전극으로 이루어지고, 1 cm × 1 ㎜ 크기의 유효면적을 가지는 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
상기 염료감응형 태양전지를 프레임부에 에폭시 접착제를 이용하여 부착하여 염료감응형 태양전지를 구비한 프레임부를 제조하였다.
윈도우형 광발전 장치의 제조
제조된 윈도우형 집광부의 측면(1 ㎝ × 2 mm)에 상기 염료감응형 태양전지가 접하도록 상기 프레임부를 광학 접착제를 이용하여 부착하여 윈도우형 광발전 장치를 제조하였다.
[ 실시예 2]
제1 파장변화층 및 제2 파장변환층을 2 cm × 2 cm × 1 ㎜ 크기로 제조하여 윈도우형 집광부의 크기가 2 cm × 2 cm × 2 ㎜인 것 및 윈도우형 집광부의 모든 측면에 태양전지가 접하도록 4개의 프레임부를 구비한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 윈도우형 광발전 장치를 제조하였다.
[ 비교예 1]
제2 파장변환층을 포함하지 않는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 윈도우형 광발전 장치를 제조하였다.
[ 비교예 2]
실시예 1의 염료감응형 태양전지의 제조와 동일한 방법으로 크기가 2 cm × 2 cm 크기의 면적을 가지는 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
도 4는 실시예 1에 따른 제1 파장변환층에서의 여기 파장 및 방출 파장에 따른 발광 강도를 나타낸 것이다. 도 4에 따르면, 제1 파장변환층의 제1 파장변환물질인 BPEA가 약 300 ㎚ 내지 약 500 ㎚ 파장의 빛을 흡수하여 약 510 ㎚ 내지 약 540 ㎚ 파장의 빛을 방출하는 것을 알 수 있다.
도 5는 실시예 1에 따른 제2 파장변환층에서의 여기 파장 및 방출 파장에 따른 발광 강도를 나타낸 것이다. 도 5에 따르면, 제2 파장변환층의 제2 파장변환물질인 PdTPBP/BPEA의 증감제/수용체 형광쌍이 약 600 ㎚ 내지 약 650 ㎚ 파장의 빛을 흡수하여 약 500 ㎚ 내지 약 550 ㎚ 파장의 빛을 방출하는 것을 알 수 있다.
도 6은 실시예 1에 따른 제1 파장변환층 및 제2 파장변환층의 파장에 따른 광투과 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 6에 따르면, 제1 파장변환층에 입사되는 빛은 약 300 ㎚ 내지 약 430 ㎚ 파장 영역의 빛이 흡수되어 가시광선 영역의 빛이 투과되는 것을 알 수 있으며, 제2 파장변환층에 입사되는 빛은 약 600 ㎚ 내지 약 650 ㎚ 파장 영역의 빛이 흡수되고, 나머지 가시광선 영역의 빛을 투과시키는 것을 알 수 있다.
이를 통하여, 상기 윈도우형 집광부는 대부분의 가시광선을 투과시켜 높은 투명도를 구현할 수 있음을 알 수 있다. 이와 같은 윈도우형 집광부의 높은 투명도는 도 8을 통하여 확인할 수 있다.
도 8은 실시예 1에 따른 윈도우형 집광부를 디지털 카메라로 촬영한 것이다. 도 8의 왼쪽 이미지는 윈도우형 집광부에 초점을 맞추어 촬영한 것이고, 오른쪽 이미지는 투과된 영역에 초점을 맞추어 촬영한 것이다. 도 8에서 확인할 수 있듯이, 상기 윈도우형 집광부는 매우 우수한 투명도를 나타내는 것을 알 수 있다.
도 7은 실시예 1에 따른 염료감응형 태양전지의 염료의 흡수 스펙트럼, 및 제1 파장변환층과 제2 파장변환층의 PL 스펙트럼(Photoluminescence Spectrum)을 나타낸 것이다. 도 7에 따르면, 제1 파장변환층 및 제2 파장변환층에서 발광하는 빛의 파장 영역이 염료감응형 태양전지의 흡수 파장 영역과 매우 잘 겹치는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여, 실시예 1에 따른 상기 윈도우형 광발전 장치는 매우 우수한 효율을 구현할 수 있음을 유추할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 흡수 스펙트럼은 UV-vis spectroscopy (SHIMADZU, UV-2550)를 사용하여 측정하였다. 본 명세서에 있어서, PL 스펙트럼의 측정은 spectrofluorophotometer (SHIMADZU, RF-6000)를 사용하여 측정하였다. 본 명세서에 있어서, 광 강도는 Si 기준 전지(BS-520, Bunko-Keiki)를 이용하여 100 mW/cm2로 조정되었다.
[ 참고예 1]
제1 파장변환층의 제1 파장변환물질인 BPEA의 몰 농도를 4.4 mM 내지 7.7 mM로 조절한 것을 제외하고, 실시예 1과 같은 방법으로 제1 파장변환층을 제조하였다. 나아가, BPEA의 몰 농도에 따른 제1 파장변환층의 광흡수에 따른 발광 강도를 측정하였다.
도 9는 참고예 1에 따른 제1 파장변환층에서의 제1 파장변환물질의 몰 농도에 따른 발광 강도를 나타낸 것이다. 도 9에 따르면, BPEA의 몰 농도가 5.5 mM인 경우 가장 높은 발광 강도를 나타내고, BPEA의 몰 농도가 5.5 mM를 벗어나는 경우 발광 강도가 저하되는 것을 알 수 있다.
[ 참고예 2]
제2 파장변환층의 증감제인 PdTPBP의 몰 농도를 0.05 M 내지 0.45 M로 조절한 것을 제외하고, 실시예 1과 같은 방법으로 제2 파장변환층을 제조하였다. 나아가, PdTPBP의 몰 농도에 따른 제2 파장변환층의 광흡수에 따른 발광 강도를 측정하였다.
도 10은 참고예 2에 따른 제2 파장변환층에서의 증감제의 몰 농도에 따른 발광 강도를 나타낸 것이다. 도 10에 따르면, PdTPBP의 몰 농도가 0.11 M인 경우 가장 높은 발광 강도를 나타내고, PdTPBP의 몰 농도가 0.11 M를 벗어나는 경우 발광 강도가 저하되는 것을 알 수 있다.
도 11은 실시예 1에 따른 윈도우형 광발전 장치를 디지털 카메라로 촬영한 것이다. 구체적으로, 도 11은 윈도우형 집광부의 측면에 염료감응형 태양전지가 접하도록 프레임부를 부착한 실시예 1에 따른 윈도우형 광발전 장치를 촬영한 사진이며, 이는 실험상 편의를 위하여 작게 만든 것일 뿐, 대면적으로 용이하게 제작할 수 있다.
실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 염료감응형 태양전지의 광전지 성능을 하기 표 1에 나타내었다.
본 명세서에 있어서, 염료감응형 태양전지의 J-V 특성은 태양광 시뮬레이터(solar simulator, AM 1.5 G 필터를 구비한 1,000 W Xe 램프)에 의하여 제공된, 시뮬레이션된 태양광 하에서 소스 미터(Keithley Instruments)를 이용하여 측정되었다.
Jsc[mA/cm2] Voc[V] FF η[%]
실시예 1 15.0 0.70 0.58 6.1
실시예 2 20.6 0.64 0.69 9.1
비교예 1 13.2 0.71 0.58 5.4
비교예 2 10.0 0.79 0.35 2.8
표 1로부터, 면적이 5 cm × 1 cm인 윈도우형 집광부와 유효면적이 1 cm × 1 ㎜인 염료감응형 태양전지를 포함하는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 윈도우형 광발전 장치를 비교해보면, 실시예 1에 따른 윈도우형 광발전 장치가 제1 및 제2 파장변환층을 모두 포함하여 비교예 1에 따른 윈도우형 광발전 장치보다 높은 효율을 구현할 수 있는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 실시예 1에 따른 윈도우형 광발전 장치의 단락전류(Jsc)와 광전 변환 효율(η) 값이 비교예 1에 따른 윈도우형 광발전 장치에 비하여 각각 약 14%, 약 13% 높은 것을 확인할 수 있다.
도 12는 실시예 2 및 비교예 2의 J-V 커브를 나타낸 것이다. 도 12에 따르면, 실시예 2에 따른 윈도우형 광발전 장치는 이의 윈도우형 집광부와 동일한 크기의 유효면적을 가지는 비교예 2에 따른 염료감응형 태양전지에 비하여 월등하게 우수한 효율을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 비교예 2에 따른 염료감응형 태양전지의 광전 변환 효율(η)은 2.8 %이었다. 실시예 2의 윈도우형 집광부의 면적과 동일하게 염료감응형 태양전지의 면적을 확장시킨 비교예 2의 경우에는 염료감응형 태양전지의 면적이 증가함에 따라 저항이 증가되어, FF(fill factor)가 감소하게 되며, 이에 따라 광전 변환 효율이 급격하게 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
상기 실시예 및 비교예를 기초로, 본 발명에 따른 윈도우형 광발전 장치는 윈도우형 집광부의 면적을 대면적으로 확장하더라도, 기존의 태양전지와 같이 대면적화 함에 따른 광전 변환 효율의 저하를 방지할 수 있고, 대면적의 집광부를 윈도우로 적용하더라도 높은 광전 변환 효율을 구현할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (11)

  1. 윈도우형 집광부; 및 상기 윈도우형 집광부의 적어도 일 측면에 구비되는 프레임부;를 포함하고,
    상기 윈도우형 집광부는, 자외선 내지 자색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 이보다 긴 파장 영역의 빛으로 변환시키는 제1 파장변환물질을 포함하는 제1 파장변환층, 및 적외선 내지 적색 파장 영역 중 선택되는 파장 영역의 빛을 이보다 짧은 파장 영역의 빛으로 변환시키는 제2 파장변환물질을 포함하는 제2 파장변환층을 포함하며,
    상기 프레임부는, 상기 윈도우형 집광부와 접하는 면의 적어도 일부에 태양전지를 구비하고,
    상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층에서 변환된 빛은 내부 전반사에 의하여 상기 프레임부의 태양전지에 전달되는 것인 윈도우형 광발전 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 윈도우형 집광부의 400 ㎚ 내지 800 ㎚ 파장에서의 평균 광투과율은 50 % 이상인 것인 윈도우형 광발전 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층에서 변환된 빛은 각각 녹색 파장 영역의 빛인 것인 윈도우형 광발전 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 파장변환물질은 안트라센 또는 이의 유도체, 쿠마린 또는 이의 유도체, 플루오레세인 또는 이의 유도체, 로다민, 에오신, 페릴렌 또는 이의 유도체, 플루오렌 또는 이의 유도체, 및 스틸벤 또는 이의 유도체 중 적어도 1종을 포함하는 것인 윈도우형 광발전 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 파장변환물질의 몰 농도는 상기 제1 파장변환층에 대하여 5 mM 이상 6.5 mM 이하인 것인 윈도우형 광발전 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 파장변환물질은 수용체 및 증감제로 이루어진 형광쌍을 포함하는 것인 윈도우형 광발전 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 수용체는 안트라센 또는 이의 유도체, 쿠마린 또는 이의 유도체, 플루오레세인 또는 이의 유도체, 로다민, 에오신, 페릴렌 또는 이의 유도체, 플루오렌 또는 이의 유도체, 및 스틸벤 또는 이의 유도체 중 적어도 1종을 포함하고;
    상기 증감제는 팔라듐-테트라페닐테트라벤조포르피린, 팔라듐(II)옥타에틸포르피린 및 플래티넘(II)옥타에틸포르피린 중 적어도 1종을 포함하는 것인 윈도우형 광발전 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 증감제의 몰 농도는 상기 제2 파장변환층에 대하여 0.05 M 이상 0.2 M 이하인 것인 윈도우형 광발전 장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 증감제와 상기 수용체의 몰비는 1:10 내지 1:1000 인 것인 윈도우형 광발전 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 파장변환층 및 상기 제2 파장변환층은 상기 윈도우형 집광부의 집광면에 대하여 적층 구조로 구비된 것인 윈도우형 광발전 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 프레임부에 구비되는 태양전지는 실리콘계 태양전지, 유기 태양전지, CIGS 태양전지, 염료감응형 태양전지, 화합물 태양전지 및 페로브스카이트 태양전지 중 적어도 1종을 포함하는 것인 윈도우형 광발전 장치.
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