KR101550971B1

KR101550971B1 - 염료감응 태양전지 실링 방법

Info

Publication number: KR101550971B1
Application number: KR1020130112874A
Authority: KR
Inventors: 송인우; 김상학; 장용준; 김솔
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2015-09-07
Also published as: KR20150033199A

Abstract

본 발명은 염료감응 태양전지의 외곽을 요철구조로 구성하고 수지를 도포함으로써 접합하게 되는 구조로 전해질의 누액을 방지하고 외부 수분침투를 막아 염료감응 태양전지의 성능 저하를 막고, 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 요철구조의 지지체의 프린팅 높이에 따라 상/하판(두 전극) 간격의 제어가 용이하다는 장점이 있다.

Description

염료감응 태양전지 실링 방법 {A method for sealing dye-sensitized solar cells}

본 발명은 염료감응 태양전지의 외곽 테두리를 실링하는 방법에 관한 것이다.

염료감응 태양전지를 밀봉하는 방법으로 많이 사용되는 기존의 방식은 고분자 필름을 사용하는 것이다. 고분자 필름을 사용하여 두 기판(전극)을 열융착 방식으로 접합하는 것으로, 접합공정은 다음과 같다.

우선, 광전극을 포함한 전해질이 주입될 공간을 고려하여 원하는 크기로 수작업으로 필름을 절단한다. 이후 두 기판 사이에 두고 약 80℃ ~ 130℃ 사이의 온도로 가열하여 접하는 공정이다. 이는 수작업으로 절단하는 작업을 포함함으로 낮은 공정 효율성을 보이며, 특히 대면적의 모듈 제조 시에 더욱더 효율성이 저하되는 단점이 있다. 그리고 접합 압력에 따라 고분자 필름의 퍼짐성이 달라짐으로 두 기판 사이의 간격을 조절하기 힘들다는 단점이 있다. 또한, 전해질을 주입하여 염료감응 태양전지를 제조한 후 장시간 경과 시 전해질 누액(염료감응 태양전지에서 가장 치명적인 문제점) 및 수분의 침투의 문제가 발생하게 된다. 고분자 필름 이외에 글라스프릿, UV경화제를 사용하여 밀봉하기도 하나, 상기 문제점을 해결하지 못하고 있다.

한국 공개 제10-2010-0117459호는,

복수의 수지층으로 이루어지는 격벽을 가지는 염료감응 태양전지에 대하여 개시한다. 상기 발명에 따른 염료감응 태양전지는 반도체 전극과, 대향 전극과, 이들 사이에 개재되어 있는 전해질 용액을 포함하며; 반도체 전극과 대향 전극과의 사이에서 전해질 용액을 밀봉하기 위하여 반도체 전극과 대향 전극과의 사이에는 복수의 수지층으로 이루어지는 격벽이 형성되어 있다. 하기 그림을 참조한다.

(10: 반도체 전극, 12: 제1 기판, 14: 제1 전도성 박막, 16: 나노입자 반도체 산화물 박막, 18: 염료분자층, 20: 전해질 용액, 30: 대향 전극, 32: 제2 기판, 34: 제2 전도성 박막, 36: 상대전극 박막, 40: 격벽, 40-1, 40-2,..., 40-N: 복수의 수지층, 100: 염료감응 태양전지)

그러나 상기와 같은 격벽은 격벽 자체의 접착성의 문제를 근본적으로 내포하고 있어 전해질 누액 현상을 원천적으로 차단하는데 한계가 있다.

한국 공개 제10-2009-0100649호는,

염료를 포함하는 다공질 막을 일 측에 가지는 투광판으로 이루어진 제1전극과 상기 제1전극에 대향하여 배치되는 제2전극으로 이루어지고 이들 전극 사이에 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서,

상기 전해질은 상기 제1전극과 제2전극을 일정 간격으로 이격하여 기밀하는 유리 프릿 소성체에 의하여 형성되는 공간에 충진되고,

상기 유리 프릿 소성체는 P₂O₅ 0 ~ 30 몰%; V₂O₅ 0 ~ 50 몰%; ZnO 0 ~ 20 몰%; BaO 0 ~ 15 몰%; As₂O₃ 0 ~ 20몰%; Sb₂O₃ 0 ~ 20 몰%; In₂O₃ 0 ~ 5 몰%; Fe₂O₃ 0 ~ 10 몰%; Al₂O₃ 0 ~ 5 몰%; B₂O₃ 0 ~ 20 몰%; Bi₂O₃ 0 ~ 10 몰%; 및 TiO₂ 0 ~ 10 몰%를 함유하는 유리 프릿을 도포하여 소성한 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 개시한다. 하기 그림을 참조한다.

(10: 제1전극 11: 투광판, 12: (투광판의) 가장자리, 13: 다공질 막(염료 포함), 15: (제1전극측) 전도성 필름, 16: 벌크층, 20: 제2전극, 21: 지지판, 22: (지지판의) 가장자리, 23: 촉매금속층, 25: (전해질) 주입구, 26: (제2전극측) 전도성 필름, 30: 전해질, 40: (전극간) 유리 프릿 소성체, 50: (주입구용) 유리 프릿 소성체, 60: 연결선, 70: (연결선용) 유리 프릿 소성체)

그러나 이 기술 역기 상기에 제시된 문제점을 근본적으로 해결한다고 보기 어렵다.

염료감응 태양전지에 있어서 두 전극 사이에서 이온을 이동시키는 역할을 하는 전해질을 주입하게 되는데, 주위 환경에 따라 전해질의 누액 또는 수분 침투로 인해 태양전지의 성능 저하, 수명 단축을 초래하게 되며 궁극적으로는 특성을 잃게 되어 버리는 치명적인 문제가 있다. 이에 본 발명은 염료감응 태양전지를 가장 효과적으로 밀봉하여 전해질의 누액 및 수분 침투를 방지하는 실링 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은,

광전 영역이 형성되도록 서로 대향하는 제1기판 및 제2기판에서, 제1기판의 제1 실링 영역에 제1 지지체를 프린팅하고; 제1지지체보다 폭 1 um ~ 5 mm제2기판 상의 제2 실링 영역에 제2지지체를 프린팅하고; 제1기판, 제2기판 또는 제2 및 제2기판 상의 지지체에 열경화성 수지, 열가소성 수지 또는 자외선 경화성 수지를 도포하고; 제1기판과 제2기판을 상호 부착하고; 열경화성 수지 또는 열가소성 수지에는 경화 또는 가소 온도의 가열을 하고; 자외선 경화성 수지에는 자외선을 조사(광경화) 또는 자외선 조사 후 열을 가하여(광경화 + 열경화) 염료감응 태양전지를 실링하는 방법을 제공한다.

도 1은 본원발명의 염료감응 태양전지 실링 방법의 원리를 도시한 것이다.

본 발명은 염료감응 태양전지 모듈을 밀봉하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에서 기판이란 유리, 필름, 플라스틱에 전도성 막이 코팅된 것을 말한다.

본 발명에서 지지체란 상/하 기판의 간격을 조절하고, 태양전지 내부와 외부를 차단하는 것을 의미한다.

본 발명에서 프린팅이란 스크린프린팅, 디스펜스, 잉크젯방법을 모두 포함하고 일정 패턴을 가지는 모양을 기판 위에 도포함을 의미한다.

본 발명은,

광전 영역이 형성되도록 서로 대향하는 제1기판 및 제2기판에서, 제1기판의 제1 실링 영역에 제1 지지체를 프린팅하고; 제1지지체보다 폭 1 um ~ 5 mm안쪽의 제2기판 상의 제2 실링 영역에 제2지지체를 프린팅하고; 제1기판, 제2기판 또는 제2 및 제2기판 상의 지지체에 열경화성 수지, 열가소성 수지 또는 자외선 경화성 수지를 도포하고; 제1기판과 제2기판을 상호 부착하고; 열경화성 수지 또는 열가소성 수지에는 경화 또는 가소 온도의 가열을 하고; 자외선 경화성 수지에는 자외선을 조사(광경화) 또는 자외선 조사 후 열을 가하여(광경화 + 열경화) 염료감응 태양전지를 실링하는 방법을 제공한다.

또한 본 발명은,

광전 영역이 형성되도록 서로 대향하는 제1기판 및 제2기판에서, 제1기판의 제1 실링 영역에 제1 지지체를 프린팅하고; 제1지지체보다 폭 1 um ~ 5 mm안쪽의 제2기판 상의 제2 실링 영역에 제2지지체를 프린팅하고; 제2지지체보다 폭 1 um ~ 5 mm안쪽의 제1기판 상의 제3 실링 영역에 제3지지체를 프린팅하고; 제1기판, 제2기판 또는 제2 및 제2기판 상의 지지체에 열경화성 수지, 열가소성 수지 또는 자외선 경화성 수지를 도포하고; 제1기판과 제2기판을 상호 부착하고; 열경화성 수지 또는 열가소성 수지에는 경화 또는 가소 온도의 가열을 하고; 자외선 경화성 수지에는 경화 영역의 자외선을 조사(광경화) 또는 자외선 조사 후 열을 가하여(광경화 + 열경화) 염료감응 태양전지를 실링하는 방법을 제공한다.

제1 및 제2기판에 지지체를 간격을 두어 프린팅하여 지그재그 형태의 지지체가 형성하고 그 사이에 또 다른 접합체로서 수지를 도포하여 밀봉하는 형태이다. 지지체는 제1 및 제2 기판 모두에 프린팅되어 지지체가 총 2개이면 지그재그 형태가 될 것이고, 3개 이상 이면 요철 구조가 형성될 것이다. 지지체가 2개 이상인 구조가 가능하지만 가장 바람직한 형태는 요철 구조를 가지는 지지체 3개 이상이 적당하다. 추가적으로 지그재그 구조 또는 요철 구조 전체에 UV경화제와 열경화제 같은 고분자 수지를 도포하여 모듈 외곽의 구조에 수지와 지지체가 교차적으로 존재하게 된다.

상기 지지체는 전해질에 내성이 강한 것으로 무기산화물 또는 고분자로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

지지체로 사용될 수 있는 물질로는 제1 및 제2 기판이 대향하는 간격만 유지해줄 수 있고 기판에 접착이 가능한 소재면 모두 가능하나 무기산화물이 첨가된 글라스 프릿 물질이 가장 적합하다. 특히 염료감응 태양전지 전해질 종인 요오드에 대한 내화학성이 뛰어난 바나듐계 글라스 프릿이 가장 적합하다.

도포 될 수지로는 열경화, 열가소성 수지, UV경화제 모두 가능하다. 상기 열경화성 수지는 고분자로 이루어진 군에서 선택되고, 상기 열가소성 수지는 고분자로 이루어진 군에서 선택되고, 상기 자외선 경화성 수지는 고분자로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

제1및 제2 기판이 접합된 이후 지지체 사이 간격은 1 um ~ 5 mm를 포함한다. 각 지지체의 폭은 10 um ~ 10 mm를 모두 포함한다. 상판과 하판에 프린팅 될 지지체의 폭은 동일하지 않아도 상관없다. 하나의 실링제가 밀봉하는 구조와 달리 두가지 이상의 실링제가 밀봉하는 형태로 밀봉특성(전해질누액 및 수분침투)이 우수함과 추가적으로 지지체 프린팅 조건에 따라 모듈 전체의 간격(전극간격)을 자율적으로 조절할 수 있는 장점도 있다.

지지체와 수지의 프린팅 방법은 어느 하나로 국한 되지 않으나, 스크린 인쇄 또는 디스펜서 방법이 가장 적합하다.

실시예

바람직한 구조 중 지지체가 3개인 요철구조를 제조하여 테스트를 진행하였다. 제조된 샘플은 100㎜ X 200㎜크기로 테스트를 진행하였다. 스크린 프린팅 방식을 적용하여 지지체로 사용된 Vanadium계 글라스프릿을 제1 및 제2기판에 50~60㎛의 높이로 프린팅하였다. 제1 또는 제2 기판에 접합체로 사용된 UV경화제를 도포하여 UV조사를 통해 제1 및 제2 기판을 서로 밀봉하였고, 그림1과 같이 육안 및 광학현미경을 통해 예상된 구조가 형성됨을 확인하였다.

또한 단면 구조를 확인하기 위하여 그림2와 같이 SEM이미지 분석을 통해 요철구조가 바르게 형성됨을 확인하였다.

제조예

상기 실시예를 통해 제조된 밀봉된 기판을 이용하여 전해질 주입 후 박막태양전지 내구평가 국제 스펙(IEC 61646 10.19&10.13) 중 내열테스트(Annealing test;85℃ 1000hr, 10.19)와 내열/내습테스트(Damp heat test; 85℃/85%RH 1000hr, 10.13)를 실시한 결과, 통과 기준을 만족하였으며, 테스트 전/후 사진은 표1에 나타내었다.

[표 1]

본 발명의 실시예를 통해 염료감응 태양전지의 외곽을 요철구조로 구성하고 수지를 도포함으로써 접합하게 되는 구조로 전해질의 누액을 방지하고 외부 수분침투를 막아 염료감응 태양전지의 성능 저하를 막고, 내구성을 향상시킬 수 있었다. 또한, 요철구조의 지지체의 프린팅 높이에 따라 상/하판(두 전극) 간격의 제어가 용이하다는 장점이 있다.

Claims

광전 영역이 형성되도록 서로 대향하는 제1기판 및 제2기판에서, 제1기판의 제1 실링 영역에 제1 지지체를 프린팅하고; 제1지지체보다 폭 1 um ~ 5 mm안쪽의 제2기판 상의 제2 실링 영역에 제2지지체를 프린팅하되, 상기 제1, 2 지지체들은 각각 바나듐계 글라스 프릿인 것이고; 제1기판, 제2기판 또는 제2 및 제2기판 상의 지지체에 열경화성 수지, 열가소성 수지 또는 자외선 경화성 수지를 도포하고; 제1기판과 제2기판을 상호 부착하고; 열경화성 수지 또는 열가소성 수지에는 경화 또는 가소 온도의 가열을 하고; 자외선 경화성 수지에는 자외선을 조사하여 염료감응 태양전지를 실링하는 방법.
광전 영역이 형성되도록 서로 대향하는 제1기판 및 제2기판에서, 제1기판의 제1 실링 영역에 제1 지지체를 프린팅하고; 제1지지체보다 폭 1 um ~ 5 mm안쪽의 제2기판 상의 제2 실링 영역에 제2지지체를 프린팅하고; 제2지지체보다 폭 1 um ~ 5 mm안쪽의 제1기판 상의 제3 실링 영역에 제3지지체를 프린팅하되, 상기 제1, 2, 3 지지체들은 각각 바나듐계 글라스 프릿인 것이고; 제1기판, 제2기판 또는 제2 및 제2기판 상의 지지체에 열경화성 수지, 열가소성 수지 또는 자외선 경화성 수지를 도포하고; 제1기판과 제2기판을 상호 부착하고; 열경화성 수지 또는 열가소성 수지에는 경화 또는 가소 온도의 가열을 하고; 자외선 경화성 수지에는 경화 영역의 자외선을 조사하여 염료감응 태양전지를 실링하는 방법.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 프린팅은 스크린프린팅, 디스펜스, 잉크젯방법을 모두 포함하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열경화성 수지는 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 것인 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 것인 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자외선 경화성 수지는 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 것인 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지지체는 높이 20 um ~ 1mm인 것인 방법.