KR101070451B1 - 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
염료감응 태양전지 및 그 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 소정 간격으로 이격되어 대향하는 제 1 기판 및 제 2 기판을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 제 1 기판과 제 2 기판은 둘레를 따라 모서리에 구비된 홈이 구비되며, 상기 홈에는 유리 프릿이 충진되어 상기 제 1 기판과 제 2 기판이 밀봉된 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지 및 그 제조방법은 내부의 전해질을 안정되게 밀봉, 유지시킬 수 있다. 또한 유리를 관통하지 않는 방향으로 레이저를 조사하여, 유리프릿을 소성시키므로, 레이저가 유리 기판을 관통함으로써 발생하는 레이저 조사 위치의 변경 등을 피할 수 있다. 또한, 유리 프릿을 기판의 측면에 구성시키므로, 염료감응 태양전지의 활성영역을 가능한 크게 구성하며, 이에 따라 높은 효율을 달성할 수 있다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 소정 간격으로 이격되어 대향하는 제 1 기판 및 제 2 기판을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 제 1 기판과 제 2 기판은 둘레를 따라 모서리에 구비된 홈이 구비되며, 상기 홈에는 유리 프릿이 충진되어 상기 제 1 기판과 제 2 기판이 밀봉된 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지 및 그 제조방법은 내부의 전해질을 안정되게 밀봉, 유지시킬 수 있다. 또한 유리를 관통하지 않는 방향으로 레이저를 조사하여, 유리프릿을 소성시키므로, 레이저가 유리 기판을 관통함으로써 발생하는 레이저 조사 위치의 변경 등을 피할 수 있다. 또한, 유리 프릿을 기판의 측면에 구성시키므로, 염료감응 태양전지의 활성영역을 가능한 크게 구성하며, 이에 따라 높은 효율을 달성할 수 있다.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부의 전해질을 안정되게 밀봉, 유지시킬 수 있고, 유리를 관통하지 않는 방향으로 레이저를 조사하므로, 레이저가 유리기판을 관통함으로써 발생하는 레이저 조사 위치의 변경 등을 피할 수 있으며, 또한, 유리 프릿을 기판의 측면에 구성시키므로, 염료감응 태양전지의 활성영역을 가능한 크게 구성하여, 태양전지의 높은 효율을 달성할 수 있는, 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
1991년도 스위스 국립 로잔 고등기술원(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 현저기 낮기 때문에 기존의 비정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있으며, 실리콘 태양전지와 달리 염료감응태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.
일반적인 염료감응 태양전지의 단위 셀 구조는 상, 하부 투명한 기판과 그 투명기판의 표면에 각각 형성되는 도전성 투명전극을 기본으로 하여, 제1전극에 해당하는 일 측의 도전성 투명전극위에는 그 표면에 염료가 흡착된 전이금속 산화물 다공질 층이 형성되어지고, 제2전극에 해당하는 타 측 도전성 투명전극 위에는 촉매박막전극이 형성되어지며, 상기 전이금속 산화물, 예를 들면 TiO2, 다공질 전극과 촉매박막전극 사이에는 전해질이 충진되어지는 구조를 가진다.
따라서 이러한 제1전극과 제2전극 사이에 충진되는 전해질을 안정적으로 유지하기 위하여 제1전극과 제2전극 사이에는 열가소성 고분자 필름을 두고 가열 압착 공정을 실시하여 이들을 접합시키고, 이를 통하여 상기 제1전극과 제2전극 사이에 전해질이 주입되어 보관될 수 있는 일정한 공간을 형성하여 유지하게 된다. 그러나 상기 열가소성 고분자 필름의 경우는 그 구조가 치밀하지 못하여 고온, 강열한 햇빛, 열싸이클링 등에 의하여 쉽게 열화되며, 전해질이 밤/낮 또는 겨울/여름 등의 열싸이클링을 통하여 미세하게 휘발하여 태양전지의 효율을 떨어뜨리고, 마침내는 수명을 다하게 만드는 요인이 되며, 고분자 필름의 가지는 기계적 강도의 한계로 인하여 외부의 충격 등에 의하여 쉽게 손상이 되는 문제점이 있으며, 이와 같은 문제는 태양전지의 수명을 떨어뜨려 그 내구성에 치명적인 문제가 되고 있는 실정이다.
열가소성 고분자 필름으로 밀봉하는 경우의 문제를 해결하기 위하여, 대한민국 1020080025962호 등은 유리 프릿(glass frit)을 이용하여, 상, 하부 투명 기판을 밀봉시키는 기술을 개시한다.
하지만, 유리 프릿을 이용한 염료감응 태양전지의 밀봉 기술은 기판의 활성 영역으로부터 소정 간격으로 이격되어, 기판 위에 수직 적층된 유리 프릿에 레이저를 조사하거나 또는 열을 인가하는 방식으로 상, 하부 기판을 밀봉시킨다. 하지만 열로써 유리 프릿을 소성시키는 경우, 금속 그리드와 흡착된 염료에도 열 에너지가 인가되어, 물리적, 화학적 변형이 발생하므로 바람직하지 않다. 더 나아가, 고체 전해질과 같이 열적 안정성이 필요한 재료를 사용할 수 없다는 한계가 있다.
레이저로 유리 프릿을 소성시키는 경우, 레이저는 투명 기판을 관통하여 수직 조사되어야 하는데, 만약 레이저의 조사 위치가 유리 기판의 굴절율 등으로 인하여 조금이라도 변경, 변형되는 경우에는 염료, 금속 그리드 등과 같은 태양전지의 구성 소자가 열적 영향을 받게 된다. 또한, 이러한 문제를 피하기 위해서는 레이저가 조사되는 유리 프릿 영역을 활성 영역과 멀리 이격시키는 경우, 태양전지의 활성 영역이 줄어드는 문제가 있다. 특히 모듈이 복수 개의 단위 셀로 분리되는 서브 모듈 타입의 경우, 상기 문제는 더욱 심각해진다. 더 나아가, 기판상에 수직으로 도포된 유리 프릿을 또 다른 기판으로 압축시키는 경우, 도포된 유리 프릿이 수평 팽창하게 되며, 이로써 태양전지의 활성 영역이 줄어드는 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 우수한 광전효율을 유지하면서도, 안정적인 기판간의 밀봉이 가능한 새로운 방식의 염료감응 태양전지와 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 소정 간격으로 이격되어 대향하는 제 1 기판 및 제 2 기판을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 제 1 기판과 제 2 기판은 둘레를 따라 모서리에 구비된 홈이 구비되며, 상기 홈에는 유리 프릿이 충진되어 상기 제 1 기판과 제 2 기판이 밀봉된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제 1 기판과 제 2 기판 모서리의 홈은 서로 대향하며, 소정 간격으로 이격되며, 상기 유리 프릿은 제 1 기판 및 제 2 기판 측면에서 조사되는 레이저에 의하여 소성된다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 충진된 유리프릿의 수직깊이는 4mm 이하이며, 상기 제 1 기판 또는 제 2 기판 중 어느 하나는 대향하는 또 다른 기판보다 넓은 너비를 갖는다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 소정 간격으로 이격되어 대향하는 제 1 기판 및 제 2 기판을 포함하는 염료감응 태양전지 제조방법에 있어서, 제 1 기판 및 제 2 기판의 둘레 모서리에 각각 홈을 형성시키는 단계; 상기 제 1 기판 및 제 2 기판의 홈이 서로 대향하도록 상기 제 1 기판 및 제 2 기판을 소정 간격으로 접촉시키는 단계; 상기 제 1 기판 및 제 2 기판의 홈에 동시에 유리 프릿을 충진시키는 단계; 및 상기 충진된 유리 프릿에 레이저를 조사하여 상기 유리 프릿을 소성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 제조방법을 제공한다. 상기 유리프릿의 수직깊이는 4mm 이하이며, 상기 레이저는 제 1 기판 및 제 2 기판의 측면에서 조사된다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지 및 그 제조방법은 내부의 전해질을 안정되게 밀봉, 유지시킬 수 있다. 또한 유리를 관통하지 않는 방향으로 레이저를 조사하여, 유리프릿을 소성시키므로, 레이저가 유리 기판을 관통함으로써 발생하는 레이저 조사 위치의 변경 등을 피할 수 있다. 또한, 유리 프릿을 기판의 측면에 구성시키므로, 염료감응 태양전지의 활성영역을 가능한 크게 구성하며, 이에 따라 높은 효율을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 일 방향에서의 단면도 및 그 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 또 다른 일 방향에서의 단면도 및 그 정면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 4는 도 1의 염료감응 태양전지 모듈의 외측면을 길이 방향(B-B')으로 절개한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소자의 제조방법의 단계도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 또 다른 일 방향에서의 단면도 및 그 정면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 4는 도 1의 염료감응 태양전지 모듈의 외측면을 길이 방향(B-B')으로 절개한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소자의 제조방법의 단계도이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 정면도이고, 도 2는 도 1의 염료감응 태양전지를 일 방향(너비 방향, A-A'로 절개한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상부에 ITO와 같은 전도성 투명전극(25)이 상부에 적층된 제 1 기판(2)에는 염료가 흡착된 전이금속 산화물 다공질 층인 반도체 전극(6)이 형성되어지고, 동일하게 상부에 상부에 ITO와 같은 전도성 투명전극(22)이 적층된 제 2 기판(4)에는 촉매 박막전극인 상대전극(8)이 상기 반도체 전극(6)에 대향하는 방향으로 적층된다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 염료감응 태양전지는 소위 서브모듈 타입으로, 한 쌍의 촉매박막전극(8)과 전이금속 산화물 다공질층(6)으로 이루어진 단위 셀이 복수 개 구비되며, 각각의 단위 셀은 그 사이에 구비된 금속 그리드(10)를 통하여 전기적으로 연결된다. 하지만, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.
특히, 본 발명은 복수 개의 단위 셀을 포함하는 두 기판의 외측면에는 둘레에 따라 소정 깊이(d)와 너비(w)를 갖는 홈(14)을 형성시키고, 상기 홈(14)에는 유리 프릿(G)을 충진시킨다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 홈의 너비(w)는 2 내지 4mm, 보다 바람직하게는 2.5 내지 3.5mm이다. 만약 홈 너비(w)의 간격이 상기 범위보다 크면 염료감응 태양전지의 활성 영역(active area)가 줄어들고 미관상 좋지 않다. 또한 홈의 너비(w)가 상기 범위보다 크게 되면, 본 발명에서 유리 프릿의 소성을 위하여 측면에서 조사되는 레이저가 효과적으로 침투되지 못할 수 있으며, 부위별로 웨팅(wetting) 이 잘 일어나지 않을 수도 있다. 반대로 상기 범위보다 적은 너비(w)를 가지면, 기판의 밀봉 효과가 떨어지는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 상술한 바와 같이 서브모듈 타입의 염료감응 태양전지를 제공하며, 태양전지의 단위 셀 간의 밀봉은 통상적인 고분자 수지, 예를 들면 에폭시 수지 등을 이용하여 밀봉시킨다. 예를 들면 금속 그리드의 밀봉 부재(16)로서 이러한 고분자 수지를 이용할 수 있는데, 본 발명은 단위 셀 자체의 밀봉을 유리 프릿으로 하는 종래 기술의 경우, 레이저에 의한 소성이 그리드나 염료에 영향을 줄 위험이 있다는 점에 주목하였다. 따라서, 본 발명은 단위 셀의 밀봉은 고온의 밀봉 과정이 필요 없는 고분자 수지를 사용하여 밀봉하되, 전체 모듈의 밀봉에 유리 프릿을 사용한다.
더 나아가, 상기 유리 프릿을 기판위에 수직 도포한 후 압착하는 방식이 아니라, 본 발명은 소자 기판의 외측면, 즉 모서리부에 홈을 파고, 상기 홈에 유리 프릿을 충진하는 방식이다. 이로써, 노출되는 모듈의 바깥쪽으로 레이저를 조사하여, 내부 소자에 영향을 주지 않으면서도 기판의 효과적인 밀봉, 접합이 가능하다. 또한, 기판이 눌림에 따라 소자 내부의 좁은 간격으로 점성의 유리 프릿이 팽창하기 보다는 보다 넓은 기판 바깥쪽으로 유리 프릿이 팽창되어, 제거될 수 있다. 이로써 정확한 기판의 활성영역을 유지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 두 기판 중 하나(2)는 다른 기판(4)에 비하여 보다 넓은 너비를 가지며, 양측으로 소정 너비(d1, d2)만큼 연장된다. 상기 구조의 장점은 넓어진 기판(2)이 인접하는 모듈의 기판과 접촉하는 경우, 상기 넓어진 너비의 기판 영역이 모듈들의 접합 영역으로 기능할 수 있다는 것이다. 하지만, 기판의 둘레를 따라 기판의 모서리부에 홈을 파며, 상기 홈에 유리 프릿을 충전, 소성하는 기술적 구성은 상술한 바와 동일하다.
도 4는 도 1의 염료감응 태양전지 모듈의 외측면을 길이 방향(B-B')으로 절개한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지 모듈은 두 기판의 외측면에 각각 구비된 제 1 홈과 제 2 홈이 구비되며(14a, 14b), 두 홈은 소정 간격으로 중심부가 이격된 반원 형상를 갖는데, 상기 반원 형태의 홈(14a-14b)은 염료감응 태양전지 모듈의 너비 방향(A-A')으로 연장된다.
태양전지 전체 모듈의 둘레를 따라 구비된 홈에 유리 프릿(G)이 충진되며, 충진된 유리 프릿에는 모듈의 측면에서 조사된 레이저에 의하여 소결된다. 즉, 본 발명은 기판과 기판 사이의 측면 공간 위주로 유리 프릿을 충전하고 이를 소성시킴으로써 기판의 활성 영역을 최대로 유지한다. 더 나아가, 측면으로 조사되는 레이저에 의하여 소자의 활성 영역으로 조사되는 레이저가 조사되는 상황을 피할 수 있다.
도 4에서 상기 유리프릿의 수직 깊이는 각 기판의 홈이 갖는 깊이(d) x 2와 기판 사이의 이격 거리의 합이 된다. 이때 상기 충진된 유리프릿의 수직 깊이는 4mm 이하인 것이 바람직하다. 만약 상기 수치보다 간격이 큰 경우 태양전지의 구조적인 결함으로 모듈의 내구성이 낮아질 수 있다. 더 나아가 상기 수직 깊이는 두 기판의 간격보다 커야 하므로, 50㎛~100㎛ 이상의 수직 깊이를 가져야 한다.
이하, 도면을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법을 단계별로 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소자의 제조방법의 단계도이다.
도 5를 참조하면, 먼저 기판(2, 6) 둘레를 따라 기판의 모서리부에 소정 깊이와 소정 너비를 갖는 홈을 구성한다(S100), 상기 홈을 기판 둘레를 따라 구성하는 방식은 기계적, 광학적 방식 모두 가능하다.
이후, 기판의 모서리에 형성된 상기 홈(14a, 14b)이 서로 대향하도록, 두 기판을 소정 간격으로 이격되도록 접촉시킨다(S200). 상기 기판 사이의 이격 거리는 기판 상에는 이미 적층된 금속 그리드 등의 염료감응 태양전지의 단위 요소(미도시)에 의하여 유지될 수 있다. 특히 서로 대향하는 기판 모서리의 홈은 기판 사이의 간격만큼 서로 이격되어 있으나, 염료감응 태양전지 기판의 간격이 50㎛~100㎛인 점을 고려하여 볼 때, 상기 대향하는 홈(14a, 14b) 내부에 점성의 유리 프릿이 충진되어도, 유리 프릿이 홈으로부터 기판의 활성 영역 내부로 흐르지 않는다. 따라서, 본 발명에서 상기 기판 모서리부에 대향하여 구성되는 홈 사이의 간격은 인 것이 바람직하다. 만약 상기 범위보다 간격이 좁은 경우, 적어지는 전해질 양 등에 의한 효율 저하가 발생할 수 있으며, 반대로 상기 범위보다 간격이 큰 경우, 홈에 충진되는 유리 프릿이 기판의 활성 영역으로 침투할 수 있다.
이후 상기 기판의 홈(14a, 14b)에 유리 프릿(G)을 동시에 충진한다(S300). 상술한 바와 같이 비록 홈 사이에는 소정 크기의 간격이 존재하나, 유리 프릿의 점성 등을 고려하여 볼 때 기판의 활성 영역 내부로 유리 프릿이 유동하지는 않는다. 이와 같이 본 발명은 두 기판의 물리적 접합에 따라 기판상에 적층된 유리 프릿이 기판의 내부로 확장, 변형되는 종래 기술의 문제를 기판 모서리에 구비되는 홈으로써 해결하였다.
유리프릿에 레이저를 조사하여 소성시킨다(S300). 본 발명에서 상기 레이저 소성은 모듈 측면에서 진행되는데, 특히 측면에서 볼 때 홈에 충진된 유리 프릿은 상대적으로 넓은 면적을 가지므로, 레이저에 의한 안정된 소성이 가능하다. 즉, 종래 기술과 같이 기판 사이의 좁은 이격공간에 유리 프릿이 적층되었다면, 염료감응 태양전지의 좁은 기판 사이의 간격으로 고려하여 볼 때 측면으로는 정확한 레이저 소성이 불가능하다. 하지만, 본 발명은 기판 측면의 모서리에 구비되는 홈을 통하여 유리 프릿의 면적을 넓히므로, 안정된 측면 레이저 소성이 가능하며, 그 결과, 소자 내부에는 어떠한 영향 없이 기판의 2차 밀봉이 가능하다.
Claims (8)
- 소정 간격으로 이격되어 대향하는 제 1 기판 및 제 2 기판을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서,
상기 제 1 기판과 제 2 기판은 둘레를 따라 모서리에 구비된 홈이 구비되며, 상기 홈에는 유리 프릿이 충진되어 상기 제 1 기판과 제 2 기판이 밀봉된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 기판과 제 2 기판 모서리의 홈은 서로 대향하며, 소정 간격으로 이격된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제 1항에 있어서,
상기 유리 프릿은 제 1 기판 및 제 2 기판 측면에서 조사되는 레이저에 의하여 소성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제 2항에 있어서,
상기 충진된 유리프릿의 수직깊이는 0 mm 초과 4 mm 이하인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 기판 또는 제 2 기판 중 어느 하나는 대향하는 또 다른 기판보다 넓은 너비를 갖는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 소정 간격으로 이격되어 대향하는 제 1 기판 및 제 2 기판을 포함하는 염료감응 태양전지 제조방법에 있어서,
제 1 기판 및 제 2 기판의 둘레 모서리에 각각 홈을 형성시키는 단계;
상기 제 1 기판 및 제 2 기판의 홈이 서로 대향하도록 상기 제 1 기판 및 제 2 기판을 소정 간격으로 접촉시키는 단계;
상기 제 1 기판 및 제 2 기판의 홈에 동시에 유리 프릿을 충진시키는 단계; 및
상기 충진된 유리 프릿에 레이저를 조사하여 상기 유리 프릿을 소성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 제조방법. - 제 6항에 있어서,
상기 유리프릿의 수직깊이는 0 mm 초과 4mm 이하인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 제조방법. - 제 6항에 있어서,
상기 레이저는 제 1 기판 및 제 2 기판의 측면에서 조사되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 제조방법.
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