KR101272781B1 - 염료감응태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

투명 도전성 산화물을 수광 기판으로 사용하지 않는 염료감응태양전지 및 그 제조 방법이 제공된다. 이 염료감응태양전지는 관통홀들을 가지면서 하부 전극층과 광전 변환부 사이에 배치되는 상부 전극층 및 하부 전극층과 수광 기판 사이에 배치되는 지지체를 포함한다. 지지체는 절연성의 다공성 막일 수 있다.

Description

염료감응태양전지 및 그 제조 방법{Dye-Sensitized Solar Cell And Method Of Fabricating The Same}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 염료감응태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양으로부터 방출되는 빛 에너지를 전기 에너지로 전환하는 광전 에너지 변환 시스템(photovoltaic energy conversion system)이다. 현재 주로 사용되는 실리콘 태양 전지는 상기 광전 에너지 변환을 위해 실리콘 내에 형성되는 p-n 접합 다이오드(p-n junction diode)를 이용하지만, 전자 및 홀의 때이른 재결합(premature recombination)을 방지하기 위해서는, 사용되는 실리콘은 높은 순도 및 낮은 결함을 가져야 한다. 이러한 기술적 요구는 사용되는 재료 비용의 증가를 가져오기 때문에, 실리콘 태양 전지의 경우, 전력당 제조 비용이 높다.
이에 더하여, 밴드 갭 이상의 에너지를 갖는 광자들(photons) 만이 전류를 생성하는데 기여하기 때문에, 실리콘 태양 전지의 실리콘은 가능한 낮은 밴드갭(bandgap)을 갖도록 도핑된다. 하지만, 이처럼 낮춰진 밴드갭 때문에, 청색광 또는 자외선에 의해 여기된 전자들(excited electrons)은 과도한 에너지를 갖게 되 어, 전류 생산에 기여하기 보다는 열로써 소모된다. 또한, 광자(photon)가 캡쳐링(capturing)될 가능성을 증가시키기 위해서는, p형층(p-type layer)은 충분히 두꺼워야 하지만, 이러한 두꺼운 p형층은 여기된 전자가 p-n 접합에 도달하기 전에 정공과 재결합할 가능성을 증가시키기 때문에, 실리콘 태양 전지의 효율은 대략 7 내지 15% 근방에서 머무른다.
한편, 마이클 그라첼(Michael Gratzel), 모하메드 나질루딘(Mohammad K. Nazeeruddin) 및 브리안 올레간(Brian O'Regan)은, 1991년에 그라첼 셀(Gratzel cell)로 알려진, 광합성 반응의 원리에 기초한 염료감응 태양전지(Dye-sensitized Solar Cell; DSC)를 제안하였다. 그라첼 셀을 원형(prototype)으로 한 염료감응 태양전지는, 광전 에너지 변환을 위해, p-n 접합 다이오드가 아니라 염료 및 전이 금속 산화막을 이용하는 광전기화학 시스템(photoelectrochemical system)이다. 이러한 염료감응 태양전지는 사용되는 재료가 저렴하고 그 제조 방법이 단순하기 때문에, 실리콘 태양 전지에 비해 생산 비용이 저렴하다. 따라서, 염료감응 태양전지의 에너지 변환 효율이 증가될 경우, 실리콘 태양 전지에 비해 전력당 제조 비용을 줄일 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 제조 비용을 줄일 수 있는 염료감응태양전지를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 입사광의 투과도를 증가시킬 수 있는 염료감응태양전지를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 제조 비용을 줄일 수 있는 염료감응태양전지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 입사광의 투과도를 증가시킬 수 있는 염료감응태양전지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 일 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 투명 도전성 산화물을 수광 기판으로 사용하지 않는 염료감응태양전지를 제공한다. 이 염료감응태양전지는 하부 전극층 및 수광 기판 사이에 배치된 광전 변환부(photovoltaic conversion part), 관통홀들을 가지면서 상기 하부 전극층과 상기 광전 변환부 사이에 배치되는 상부 전극층, 상기 하부 전극층의 상부면을 덮으면서 상기 하부 및 상부 전극층들 사이에 배치되는 촉매층, 그리고 상기 관통홀들을 채우면서 상기 촉매층과 상기 수광 기판 사이에 배치되는 전해액(electrolytic solution)을 포함한다. 이때, 상기 하부 전극층 및 상기 수광 기판 사이에는 지지체(supporter)가 배치되고, 상기 지지체는 절연성의 다공성막이고, 상기 전해액은 상기 지지체에 함침(impregnate)된다.
상기 지지체는 상기 촉매층과 상기 상부 전극층 사이에 배치되거나, 상기 상부 전극층과 상기 수광 기판 사이에 배치되거나, 상기 촉매층과 상기 상부 전극층 사이 및 상기 상부 전극층과 상기 수광 기판 사이에 배치될 수 있다.
상기 수광 기판은 비도전성의 투명한(non-conductive transparent) 물질로 형성될 수 있고, 상기 광전 변환부는 복수의 반도체 입자들 및 상기 반도체 입자들 각각의 표면에 부착된 복수의 염료 물질들을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 광전 변환부는 상기 수광 기판으로부터 이격될 수 있다. 또한, 상기 상부 전극층의 상부면 및 하부면은 실질적으로 전체에 걸쳐 편평할 수 있으며, 상기 관통홀들은 상기 상부 전극층 내에 규칙적으로 배열될 수 있다.
상기 일 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 투명 도전성 산화물을 수광기판으로 사용하지 않는 염료감응태양전지의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 관통홀들이 형성된 상부 전극층을 준비하는 단계, 하부 전극층 상에 상기 관통홀들이 형성된 상기 상부 전극층을 배치하는 단계, 상기 상부 전극층 상에 광전 변환부를 형성하는 단계, 상기 광전 변환부 상에 수광 기판을 형성하는 단계, 상기 하부 전극층 및 상기 수광 기판 사이에 지지체(supporter)를 형성하는 단계, 그리고 상기 지지체에 전해액을 함침시키는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 지지체는 절연성의 다공성막으로 형성될 수 있다.
상기 지지체는 상기 촉매층과 상기 상부 전극층 사이에 배치되거나, 상기 상부 전극층과 상기 수광 기판 사이에 배치되거나, 상기 촉매층과 상기 상부 전극층 사이 및 상기 상부 전극층과 상기 수광 기판 사이에 배치될 수 있다.
상기 관통홀들은 상기 상부 전극층을 상기 하부 전극층 상에 부착하기 전에 상기 상부 전극층 내에 형성될 수 있고, 상기 수광 기판은 비도전성의 투명한 물질로 형성될 수 있다. 상기 하부 전극층 및 상기 상부 전극층은 금속막(metal film)으로 형성되고, 상기 광전 변환부는 복수의 반도체 입자들 및 상기 반도체 입자들 각각의 표면에 부착된 복수의 염료 물질들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 하부 전극층 상에 상기 상부 전극층을 부착하기 전에, 상기 하부 전극층의 상부면에 촉매층을 형성하는 단계, 상기 촉매층의 상부면 가장자리에 상기 하부 전극층으로부터 상기 상부 전극층을 이격시키는 하부 봉지재를 형성하는 단계, 및 상기 상부 전극층의 상부면 가장자리에 상기 상부 전극층으로부터 상기 수광 기판을 이격시키는 상부 봉지재를 형성하는 단계가 더 실시될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 관통홀들이 형성된 상부 전극층을 준비하는 단계는 금속막을 준비한 후, 식각 마스크를 이용하여 상기 금속막을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 식각 마스크는 상기 관통홀들이 형성될 위치들을 정의하는 개구부들을 갖고, 상기 개구부들은 공간적으로 규칙성있게 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 하부 전극층 상에 상기 상부 전극층을 부착하는 단계는 롤-투-롤 공정을 사용하여 실시될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 염료감응태양전지는 투명 도전성 산화물을 포함하지 않는 수광기판이 사용된다. 이에 따라, 염료감응태양전지의 제조 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 입사광의 투과도 손실을 최소화할 수 있다.
또한, 광전변환부의 하부에, 염료감응태양전지의 전자 순환 체계를 구성하는 상부 전극층 및 하부 전극층이 배치되고, 상기 상부 및 하부 전극층들 사이에는 다공질의 절연성 물질로 형성되는 지지체가 배치된다. 상기 지지체는 다양한 이유 들로부터 초래될 수 있는 상부 및 하부 전극들 사이의 전기적 쇼트를 예방하는데 기여한다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응태양전지를 도시하는 단면도이고, 도 2는 플렉서블한 특성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응태양전지를 도시하는 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 전극층을 도시하는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 염료감응태양전지(100)은 하부 전극층(10), 상기 하부 전극층(10) 상에 배치되는 수광 기판(70), 상기 하부 전극층(10)과 상기 수광 기판(70) 사이에 배치되는 광전 변환부(50), 및 상기 광전 변환부(50)와 상기 하부 전극층(10) 사이에 배치되는 상부 전극층(40)을 포함한다. 이에 더하여, 상기 하부 전극층(10)의 상부면에는 상기 상부 전극층(40)으로부터 이격된 촉매층(20)이 형성되고, 상기 촉매층(20)과 상기 수광 기판(70) 사이의 공간은 전해액(80)(electrolyte solution)로 채워진다.
상기 광전 변환부(50)는 반도체 물질 및 상기 반도체 물질의 표면에 흡착된 염료를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 것처럼, 상기 광전 변환부(50)는 산화물 반도체 입자들(52) 및 상기 산화물 반도체 입자들(52)의 표면에 흡착된 염료 물질(54)을 포함할 수 있다. 상기 산화물 반도체 입자들(52)은, 티타늄 산화물(TiO2), 주석 산화물 (SnO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 실리콘 산화물(SiO2), 마그네슘 산화물(MgO), 니오븀 산화물(Nb2O5) 및 아연 산화물(ZnO) 등과 같은, 전이 금속 산화물을 포함하는 금속 산화물들 중의 한가지일 수 있다. 상기 염료 물질(54)은 빛 에너지를 전기적 에너지로 전환시킬 수 있는 루테늄 착체와 같 은 염료 분자들일 수 있다. 예를 들면, 상기 염료 물질(54)은 N719 (Ru(dcbpy)2(NCS)2 containing 2 protons)일 수 있지만, N712, Z907, Z910 및 K19 등과 같은 알려진 다양한 염료들 중의 적어도 한가지일 수도 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 염료감응태양전지(100)는 플렉서블한 특성을 가질 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 것처럼, 제품의 외형을 변형시킬 수 있는 외력(external force) 아래에서도, 상기 염료감응태양전지(100)는 실질적인 기능 상실 또는 제품 파손없이 정상적으로 동작할 수 있다. 이러한 실시예들에 따르면, 상기 수광 기판(70), 상기 하부 전극층(10) 및 상기 상부 전극층(40)은 플렉서블한 특성을 제공할 수 있는 두께 및 물질로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 하부 전극층(10) 및 상기 상부 전극층(40) 각각은 금속들 및 금속 합금들 중의 적어도 한가지를 포함하는 박막(thin film) 또는 호일(foil))일 수 있다. 예를 들면, 물질의 종류에 있어서, 상기 하부 전극층(10) 및 상기 상부 전극층(40)은 티타늄, 스테인레스 스틸, 알루미늄 및 구리 등으로 형성될 수 있지만, 다른 다양한 금속성 물질로 형성될 수 있다. 변형된 실시예에 따르면, 상기 하부 전극층(10)의 하부면은 절연성 박막(도시하지 않음)으로 코팅될 수 있다. 또한, 상기 하부 전극층(10) 및 상기 상부 전극층(40)의 두께는, 플렉서블한 특성을 제공할 수 있도록, 수 마이크로 내지 수 밀리 미터의 두께 범위 내에서 선택될 수 있으며, 더 구체적인 두께는 해당 물질의 종류에 따라 달라질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 수광 기판(70)은, 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide; TCO)없이, 투명한 물질로만 형성된다. 예를 들 면, 상기 수광 기판(70)은 유리(glass) 또는 고분자 필름으로 형성될 수 있다. 알려진 것처럼, 상기 TCO를 포함하는 투명 기판은 도전성을 제공할 수 있지만 그 제품 단가가 비싸기 때문에, 이를 사용하지 않는 염료감응태양전지는 저렴한 제조 비용으로 제조될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 수광 기판(70)은 플렉서블한 특성을 가질 수 있도록 투명한 플라스틱막일 수 있다.
상기 전해액(80)은 요오드계 산화환원 전해질(redox iodide electrolyte)일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전해액(80)은 0.7M의 1-비닐-3-메칠옥틸-이미다졸륨 아이오다이드(1-vinyl-3-hexyl-imidazolium iodide)와 0.1M LiI 그리고 40mM의 I2(Iodine)를 3-메톡시프로피오니트릴(3-Methoxypropionitrile)에 용해시킨 I3 -/I-의 전해액일 수 있다.　본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전해액(80)은 0.6M butylmethylimidazolium, 0.02M I2, 0.1M Guanidinium thiocyanate, 0.5M 4-tert-butylpyridine를 포함하는 아세토 니트릴(acetonitrile) 용액일 수 있다. 하지만, 예시되지 않은 다양한 전해액들 중의 한가지가 본 발명에 따른 염료감응 태양전지를 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 전해액(80)은 alkylimidazolium iodides 또는 tetra-alkyl ammoniumiodides을 포함할 수 있으며, tert-butylpyridin (TBP), benzimidazole(BI) 및 N-Methylbenzimidazole (NMBI)를 표면 첨가제(surface additives)로 더 포함할 수 있다. 또한, acetonitrile, propionitrile 또는 acetonitrile과 valeronitrile의 혼합액이 용매로서 사용될 수 있다.
상기 촉매층(20)은 전해질의 환원 과정에 참여할 수 있도록 상기 전해액(80)과 접촉한다. 일 실시예에 따르면, 상기 전해액(80)이 요오드계 산화환원 전해액(redox iodide electrolyte)인 경우, 상기 촉매층(20)은 상기 하부 전극층(10) 상에 도포되는 백금(Pt)일 수 있다.
상기 수광 기판(70)을 통해 태양광이 상기 광전 변환부(50)로 입사될 경우, 염료 물질(54)의 전자들은 입사된 빛에 의해 여기(excited)되어 상기 산화물 반도체 입자들(52)의 전도대(conduction band)로 주입된 후, 상기 상부 전극층(40), 소정의 부하(L)(load) 및 상기 하부 전극층(10)을 경유하여 상기 전해액(80)에서 환원된다. 이러한 과정은 염료감응 태양전지의 전자 순환 체계라고 불리어진다.
한편, 상기 전해질의 환원 과정 또는 염료감응태양전지의 전자 순환 과정이 지속적으로 이루어지기 위해서는, 상기 광전 변환부(50)에서 전자를 잃은 이온들이 환원 과정이 일어나는 상기 촉매층(20)으로 확산될 수 있어야 한다. 이를 위해, 본 발명의 실시예들에 따르면, 도 1 내지 도 3에 도시된 것처럼, 상기 광전 변환부(50)와 상기 촉매층(20) 사이에 배치되는 상기 상부 전극층(40)은 이를 관통하는 적어도 하나의 관통홀(99)을 갖는다.
일 실시예에 따르면, 상기 관통홀들(99)은 상기 상부 전극층(40)의 소정 영역 내에서 규칙적으로 배열될 수 있다. 구체적으로, 도 3에 도시된 것처럼, 소정의 관통홀과 이에 인접하는 관통홀들(99) 사이의 상대적 위치 및 거리는 평행하지 않은 두 벡터들(a, b)에 의해 표현될 수 있으며, 복수의 인접하는 다른 관통홀들 사이의 상대적 위치 및 거리는 상기 두 벡터들(a, b)에 의해 동일하게 표현될 수 있 다. 이처럼, 상기 관통홀들(99)이 상기 상부 전극층(40) 내에 규칙적으로 배열될 경우, 상기 이온들이 상기 촉매층(20)으로 균일하게 확산될 수 있다. 그 결과, 환원 과정이 균일하면서도 효율적으로 이루어질 수 있어, 제품의 광전 성능(photovoltaic performance)이 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 상부 전극층(40) 내에 형성되는 모든 관통홀들(99)의 배치는 소정의 벡터들로 구성되는 벡터 집합을 포함하는 복수의 벡터 집합들에 의해 실질적으로 완전하게 표현될 수 있다. 상기 관통홀들(99)의 배치를 정의하는 상기 벡터 집합들의 수가 증가할 경우, 상기 관통홀들(99)은 감소된 규칙성을 가지고 배치되거나 무작위적으로 배치될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 관통홀들(99)의 배치에서의 규칙성 수준은 다양할 수 있다. 상기 관통홀(99)의 폭은 상기 산화물 반도체 입자들(52)의 평균 직경보다 작거나 그 수배일 수 있다. 예를 들면, 상기 관통홀(99)의 폭은 대략 수 나노 미터 내지 수 센티 미터일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 산화물 입자들(52)이 상기 관통홀(99)을 유효하게 막도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 상부 전극층(40)의 두께와 관련하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 1, 도 2, 도 3a, 도 4 내지 도 9에 도시된 것처럼, 상기 상부 전극층(40)은 상기 관통홀들(99)을 제외한 전 영역에서 실질적으로 균일한 두께로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 3b에 도시된 것처럼, 상기 상부 전극층(40)은 그 상부면으로부터 연장되는 적어도 하나의 돌출부(45)를 포함할 수 있다. 하지만, 상기 돌출부(45)는 도 3b에 도시된 실시예로부터 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들면, 상기 돌출부(45)는 상기 상부 전극층(40)의 하부면으로부터 아래쪽으로 연장되는 부분 및 상기 상부 전극층(40)의 상부면으로부터 위쪽으로 연장되는 부분 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 돌출부(45)가 배치되는 위치 및 두께 역시 다양하게 변형될 수 있다.
상기 관통홀들(99)을 상기 상부 전극층(40) 내에 형성하는 방법은, 도 4에 도시된 것처럼, 소정의 식각 마스크(EM)를 사용하여 상기 상부 금속층(40)을 위한 금속막을 식각하는 단계(88)를 포함할 수 있다. 상기 식각 마스크(EM)는 재사용 가능한 물질(예를 들면, 고분자 화합물 또는 세라믹)로 형성될 수 있으며, 상기 관통홀들(99)의 위치를 정의하는 개구부들(95)을 포함할 수 있다. 이처럼 재사용 가능한 식각 마스크를 사용함으로써, 상기 관통홀들(99)을 갖는 상부 전극층(40)의 준비 비용이 절감될 수 있을 뿐만 아니라 상기 관통홀들(99)의 위치는 제조되는 염료감응태양전지들 모두에서 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 관통홀들(99)의 위치적 변이(variation) 감소는, 제조되는 염료감응태양전지들의 제품 특성에서의 균일성을 향상시킬 수 있다.
도 5 내지 도 9은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 염료감응태양전지를 도시하는 단면도들이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1을 참조하여 설명된 실시예들과 중복되는 기술적 특징들에 대한 설명은 생략될 것이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 상기 수광 기판(70)과 상기 촉매층(20) 사이에는 지지체(91, 92)가 더 배치될 수 있다. 구체적으로, 하부 지지체(91)가 도 5 및 도 7에 도시된 것처럼 상기 촉매층(20)과 상기 상부 전극층(40) 사이에 배치되거 나, 상부 지지체(92)가 도 6 및 도 7에 도시된 것처럼 상기 상부 전극층(40)과 상기 수광 기판(70) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 실시예들에 따르면, 상기 관통홀(99)의 폭은 대략 수 나노 미터 내지 수 센티 미터일 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하부 지지체(91)은 상기 촉매층(20)으로부터 상기 상부 전극층(40)을 물리적/전기적으로 이격시키는 스페이서일 수 있다. 상기 하부 지지체(91)는 절연성 물질(예를 들면, 유리, 세라믹 및 플라스틱)로 형성될 수 있으며, 그 모양은 볼(ball) 및 바(bar)일 수 있지만, 상기 하부 지지체(91)의 물질 및 모양은 다양하게 변형될 수 있다. 이러한 절연성 하부 지지체(91)에 의해, 상기 촉매층(20)과 상기 상부 전극층(40)사이의 직접적인 접촉(즉, 전기적 쇼트)이 예방될 수 있으며, 상기 촉매층(20)과 상기 상부 전극층(40) 사이의 간격은 일정하게 유지될 수 있다. 이에 따라, 상기 수광 기판(70) 또는 상기 하부 전극층(10)에 외력이 작용하는 경우에 조차, 전기적 쇼트에 의한 제품 손상은 예방될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 상기 하부 또는 상부 지지체들(91, 92)은 다공질의 절연성 물질일 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 또는 상부 지지체들(91, 92)은 미세한 흡수공들(pores)(도시하지 않음)을 갖는 고분자 물질 또는 세라믹일 수 있다. 이러한 실시예들에 따르면, 상기 전해액(80)은 상기 하부 또는 상부 지지체들(91, 92)의 흡수공들을 채우면서 상기 수광 기판(70)과 상기 촉매층(20) 사이에 개재될 수 있다. 즉, 상기 전해액(80)은 상기 하부 또는 상부 지지체들(91, 92)에 함침(impregnate)될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 하부 지지체(91)는 상기 산화물 반도체 입자들(52)이 상기 상부 전극층(40)과 상기 촉매층(20) 사이의 공간 또는 상기 촉매층(20)의 상부면으로 이동하는 것을 실질적으로 유효하게 방지하도록 구성된다. 예를 들면, 상기 하부 지지체(91)의 흡수공들의 폭은 실질적으로 상기 산화물 반도체 입자(52)의 크기보다 작거나 같을 수 있다. 하지만, 산화물 반도체 입자들의 이동은 흡수공들의 배치 및 산화물 반도체 입자들 사이의 접착 특성 등에 의존적일 수 있다. 이런 점에서, 다른 실시예에 따른 상기 하부 지지체(91)의 흡수공들은 상기 산화물 반도체 입자(52)의 크기보다 큰 폭을 가질 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광전 변환부(50)에서 전자를 잃은 이온들이 환원 과정이 일어나는 상기 촉매층(20)으로 확산될 수 있도록, 상기 하부 지지체(91)의 흡수공들은 연속적으로 연결될 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 변형된 실시예들에 따르면, 상기 관통홀들(99)은 도 3을 참조하여 설명된 실시예의 그것과는 다른 구조의 상부 전극층(40)에 의해 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 상부 전극층(40)은 교차하면서 짜여진 와이어들(intercrossed and woven wires)을 포함하는 메쉬 구조체(mesh structure), 분말들이 서로 연결된 소결체(sintered structure) 및 다공질의 금속성 물질일 수 있다.
이러한 변형된 실시예들에 따르면, 상기 상부 전극층(40)의 상부면 또는 하부면은 국소적으로 편평하지 않을 수 있다. 즉, 상기 상부 전극층(40)의 두께는 위치에 따라 달라질 수 있으며, 이러한 두께의 불균일함은 상기 상부 및 하부 봉지재 들(60, 30) 사이에서도 나타날 수 있다. 이 경우, 상기 상부 및 하부 봉지재들(60, 30)과 상기 상부 전극층(40) 사이의 접착 특성이 좋지 않을 경우, 상기 전해액(80)이 외부로 누출되는 불량이 발생할 수 있다. 이에 비해, 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명된 실시예들에 따르면, 상기 상부 전극층(40)은 상부면 및 하부면이 전체에 걸쳐 편평한 막이라는 점에서, 상기 상부 및 하부 봉지재들(60, 30)은 상기 상부 전극층(40)에 견고하게 접착될 수 있어, 상기 전해액(80)의 외부 유출은 억제될 수 있다.
이에 더하여, 도 1 내지 도 7에 도시된 것처럼, 상기 관통홀들(99)은, 상기 상부 및 하부 봉지재들(60, 30) 사이에 개재되는, 상기 상부 전극층(40)의 가장자리 영역에는 형성되지 않을 수 있다. 즉, 상기 상부 전극층(40)의 가장자리 영역은 관통홀(99)없는 편평한 막일 수 있다. 이 경우, 상술한 변형된 실시예들에서 나타날 수 있는, 상기 상부 전극층(40) 두께의 불균일함 및 이에 따른 상기 전해액(80)의 외부 유출은 더욱 억제될 수 있다.
또한, 상술한 변형된 실시예들에 따르면, 상기 상부 전극층(40)에 형성되는 관통홀들을 미세하게 형성하기 위해서는, 고비용의 제조 기술이 요구된다. 예를 들면, 상기 메쉬 구조체의 경우, 관통홀들을 미세한 크기로 형성하기 위해서는, 이를 구성하는 와이어들의 수가 급격하게 증가할 뿐만 아니라, 직조 과정(weaving process)에서 와이어들 각각을 제어하기 어렵다. 이에 비해, 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명된 실시예들에 따르면, 상기 관통홀들(99)을 형성하는 패터닝 공정은, 상대적으로 저가인, 상기 식각 마스크(EM)를 반복적으로 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명된 실시예들은 저렴한 비용으로 투명 도전성 산화물없는 염료감응태양전지(TCO-less DSC)를 제조하는 것을 가능하게 한다.
또다른 변형된 실시예에 따르면, 상기 상부 전극층(40)은 나노 크기의 관통홀들 갖는 도전성 막 또는 관통홀을 제공하는 나노 튜브를 포함하는 도전성 막일 수 있다. 이러한 또다른 변형된 실시들 역시 고비용의 제조 기술이 요구되기 때문에, 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명된 실시예들은 이들 또다른 변형된 실시예들에 비해 저렴한 비용으로 투명 도전성 산화물없는 염료감응태양전지(TCO-less DSC)를 제조하는 것을 가능하게 한다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응태양전지의 제조 방법을 도시하는 순서도이다.
도 10를 참조하면, 하부 전극층(10) 상에 촉매층(20) 및 하부 봉지재(30)를 각각 형성한다(S1 및 S2). 이 단계들과는 독립적으로, 금속막을 준비한 후, 상기 금속막을 패터닝하여 적어도 하나의 관통홀(99)을 갖는 상부 전극층(40)을 준비한다(S3 및 S4).
이어서, 상기 하부 봉지재(30) 상에 상기 상부 전극층(40)을 부착하고(S5), 상기 상부 전극층(40) 상에 광전 변환부(50)를 형성하고(S6), 상기 상부 전극층(40) 상에 상기 광전 변환부(50)를 둘러싸는 상부 봉지재(60)를 형성하고(S7), 상기 상부 봉지재(60) 상에 비도전성의 투명한 수광 기판(70)을 형성한다(S8). 상기 수광 기판(70)과 상기 촉매층(20) 사이에 전해액(80)을 주입한 후(S9), 밀봉 과 정을 수행한다(S10).
이 실시예에 따르면, 상기 금속막을 패터닝하는 단계(S4)는, 도 4에 도시된 것처럼, 소정의 식각 마스크(EM)를 사용하여 상기 금속막을 식각하는 단계(88)를 포함할 수 있다. 상기 식각 마스크(EM)는 재사용 가능한 물질로 형성될 수 있으며, 상기 관통홀들(99)의 위치를 정의하는 개구부들(95)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 염료감응태양전지의 제조 비용은 절감될 수 있을 뿐만 아니라 상기 관통홀들(99)의 위치는 제조되는 염료감응태양전지들 모두에서 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 관통홀들(99)의 위치적 변이(variation) 감소는, 제조되는 염료감응태양전지들의 제품 특성에서의 균일성을 향상시킬 수 있다.
상기 금속막을 식각하는 단계(88)는 등방성 또는 이방성 식각의 방법 중의 적어도 한가지를 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 식각 마스크(EM)를 상기 금속막 상에 배치한 후, 상기 금속막을 습식 식각함으로써 상기 금속막을 관통하는 상기 관통홀들을 형성할 수 있다. 메쉬 구조체, 소결체 및 다공질의 금속성 물질, 나노 크기의 관통홀들 갖는 도전성 막 또는 관통홀을 제공하는 나노 튜브를 포함하는 도전성 막으로 상기 상부 전극층(40)을 형성하는 상술한 변형될 실시예들에 비해, 이러한 식각의 방법은 저렴한 비용으로 상기 관통홀들(99)을 갖는 상부 전극층(40)을 형성하는 것이 가능하다.
상기 상부 전극층(40)이 상기 하부 전극층(10)과는 독립적으로 준비되었기 때문에, 상기 하부 봉지재(30) 상에 상기 상부 전극층(40)을 부착하는 단계(S5)는 롤-투-롤(roll-to-roll)의 기술을 사용하여 실시될 수 있다. 본 발명의 일 실시예 에 따르면, 상기 하부 전극층(10), 상기 촉매층(20), 상기 하부 봉지재(30), 상기 상부 봉지재(60) 및 상기 수광 기판(70) 중의 적어도 하나 역시 롤-투-롤 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 롤-투-롤의 기술은 고가의 증착 공정을 요구하지 않기 때문에, 본 발명에 따른 염료감응태양전지는 감소된 비용으로 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 관통홀들(99)은, 상기 상부 및 하부 봉지재들(60, 30) 사이에 개재되는, 상기 상부 전극층(40)의 가장자리 영역에는 형성되지 않을 수 있다. 이를 위해, 상기 금속막을 식각하는 단계(88)는 상기 광전 변환부(50)가 형성될 영역들에서 상기 금속막을 선택적/국소적으로 식각하도록 실시될 수 있다. 이 경우, 상술한 것처럼, 상기 상부 전극층(40) 두께의 불균일함 및 이에 따른 상기 전해액(80)의 외부 유출은 유효하게 억제될 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 염료감응태양전지의 제조 방법들을 도시하는 순서도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 10을 참조하여 설명된 실시예들과 중복되는 기술적 특징들에 대한 설명은 생략될 것이다.
도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 제조 방법은, 상기 하부 봉지재(30) 상에 상기 상부 전극층(40)을 부착(S5)하기 전에, 상기 촉매층(20) 상에 하부 지지체(91)를 형성하는 단계(A1)를 더 포함할 수 있다. 그 결과로서, 도 5 및 도 7에 도시된 것처럼, 상기 하부 지지체(91)는 상기 촉매층(20)과 상기 상부 전극층(40) 사이에 배치된다. 상술한 것처럼, 이 경우, 상기 하부 지지체(91)는 상기 산화물 반도체 입자들(52)이 상기 상부 전극층(40)과 상기 촉매층(20) 사이의 공간으로 이 동하는 것을 방지하거나 상기 촉매층(20)과 상기 상부 전극층(40) 사이의 간격을 유지시킬 수 있다. 변형된 실시예에 따르면, 도 11에 도시된 것처럼, 상기 제조 방법은 상기 수광 기판(70)을 형성(S8)하기 전에 상기 광전 변환부(50) 상에 상부 지지체(92)를 형성하는 단계(A2)를 더 포함할 수 있다.
상기 하부 또는 상부 지지체들(91, 92)은 다공질의 절연성 물질(예를 들면, 미세한 흡수공들(pores)(도시하지 않음)을 갖는 고분자 물질 또는 세라믹)일 수 있다. 이러한 실시예들에 따르면, 상기 전해액(80)은 상기 하부 또는 상부 지지체들(91, 92)에 함침(impregnate)되면서 상기 수광 기판(70)과 상기 촉매층(20) 사이에 개재될 수 있다. 상기 하부 지지체(91)의 흡수공들은, 상기 광전 변환부(50)에서 전자를 잃은 이온들이 환원 과정이 일어나는 상기 촉매층(20)으로 확산될 수 있도록, 연속적으로 연결될 수 있다.
한편, 도 12에 도시된 것처럼, 본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 상기 상부 전극층(40) 상에 상기 광전 변환부(50)를 형성하는 단계는 상기 하부 봉지재(30) 상에 상기 상부 전극층(40)을 부착하기 전에 실시될 수도 있다. 이러한 형성 순서에서의 변화는 도 10을 참조하여 설명된 실시예에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응태양전지를 도시하는 단면도이다.
도 2는 플렉서블한 특성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응태양전지를 도시하는 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 상부 전극층을 도시하는 사시도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 전극층의 형성 방법을 나타내는 도면이다.
도 5 내지 도 9은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 염료감응태양전지를 도시하는 단면도들이다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응태양전지의 제조 방법을 도시하는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 염료감응태양전지의 제조 방법들을 도시하는 순서도이다.
도 12은 본 발명의 또다른 실시예들에 따른 염료감응태양전지의 제조 방법들을 도시하는 순서도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 >
10: 하부 전극층 20: 촉매층
30: 하부 봉지재 40: 상부 전극층
50: 광전 변환부 52: 산화물 반도체 입자
54: 염료 60: 상부 봉지재
70: 수광 기판 80: 전해질
91: 하부 지지체 92: 상부 지지체
99: 관통홀 L: 부하

Claims (21)

  1. 하부 전극층 및 수광 기판 사이에 배치된 광전 변환부(photovoltaic conversion part);
    관통홀들을 가지면서 상기 하부 전극층과 상기 광전 변환부 사이에 배치되는 상부 전극층;
    상기 하부 전극층의 상부면을 덮으면서 상기 하부 및 상부 전극층들 사이에 배치되는 촉매층; 및
    상기 촉매층과 상기 수광 기판 사이에 배치되는 전해액(electrolytic solution)을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 전극층은 상기 관통홀들 이외의 영역에서 균일한 두께를 갖는 금속 호일(metal foil)인 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 상부 전극층은 그 상부면 및 그 하부면 중의 적어도 하나로부터 연장되는 적어도 하나의 돌출 영역을 더 포함하는 염료감응태양전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 관통홀들 사이의 최소 간격은 상기 관통홀의 최소 폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 전극층 및 상기 수광 기판 사이에 배치되는 절연성 지지체(supporter)를 더 포함하는 염료감응태양전지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 지지체는 다공성 막이고, 상기 전해액은 상기 지지체에 함침(impregnate)되는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 지지체는 상기 촉매층과 상기 상부 전극층 사이 및 상기 상부 전극층과 상기 수광 기판 사이 중의 적어도 한 곳에 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 전극층의 상부면 가장자리에 배치되는 하부 봉지재; 및
    상기 상부 전극층의 상부면 가장자리에 배치되는 상부 봉지재를 더 포함하되,
    상기 관통홀들은 상기 하부 봉지재 및 상기 상부 봉지재 사이의 영역을 제외한 상기 상부 전극층 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 수광 기판은 비도전성 물질로만 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 전극층은 분말들이 서로 연결된 소결체(sintered structure), 다공질의 금속성 물질 및 나노 튜브를 포함하는 도전성 막 중의 적어도 한가지인 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지.
  11. 관통홀들이 형성된 상부 전극층을 준비하는 단계;
    하부 전극층 상에, 상기 관통홀들이 형성된 상기 상부 전극층을 배치하는 단계;
    상기 상부 전극층 상에 광전 변환부를 형성하는 단계;
    상기 광전 변환부 상에 수광 기판을 형성하는 단계; 및
    상기 수광 기판과 상기 하부 전극층 사이에 전해액을 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지의 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 관통홀들이 형성된 상부 전극층을 준비하는 단계는
    금속 호일을 준비하는 단계; 및
    개구부들을 갖는 식각 마스크를 이용하여 상기 금속 호일을 식각하는 단계를 포함하되,
    상기 관통홀들의 위치들은 상기 식각 마스크의 개구부들에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지의 제조 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 금속 호일을 식각하는 단계는 상기 금속 호일의 상부면 및 하부면 중의 적어도 하나를 습식 식각하는 단계를 포함하는 염료감응태양전지의 제조 방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 관통홀들은 상기 상부 전극층을 상기 하부 전극층 상에 부착하기 전에 상기 상부 전극층 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지의 제조 방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 하부 전극층 및 상기 상부 전극층 중의 적어도 하나는 롤-투-롤 공정을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지의 제조 방법.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 전해액을 주입하기 전에, 상기 하부 전극층 및 상기 수광 기판 사이에 절연성 지지체(supporter)를 형성하는 단계를 더 포함하되,
    상기 절연성 지지체는 롤-투-롤 공정을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지의 제조 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 지지체는 다공성 막으로 형성되고, 상기 전해액은 상기 지지체 내에 함침되는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지의 제조 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 지지체는 상기 상부 전극층과 상기 수광 기판 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지의 제조 방법.
  19. 청구항 11에 있어서,
    상기 수광 기판은 비도전성 물질로만 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지의 제조 방법.
  20. 청구항 11에 있어서,
    상기 하부 전극층 상에 상기 상부 전극층을 부착하기 전에, 상기 하부 전극층의 상부면에 촉매층을 형성하는 단계;
    상기 촉매층의 상부면 가장자리에 상기 하부 전극층으로부터 상기 상부 전극층을 이격시키는 하부 봉지재를 형성하는 단계; 및
    상기 상부 전극층의 상부면 가장자리에 상기 상부 전극층으로부터 상기 수광 기판을 이격시키는 상부 봉지재를 형성하는 단계를 더 포함하되,
    상기 관통홀들은 상기 하부 봉지재 및 상기 상부 봉지재 사이의 영역을 제외한 상기 상부 전극층 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지의 제조 방법.
  21. 청구항 11에 있어서,
    상기 상부 전극층 상에 광전 변환부를 형성하는 단계는 상기 하부 전극층 상에 상기 상부 전극층을 배치하기 전 또는 후에 실시되는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지의 제조 방법.
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