KR102310355B1 - Insertable and dye-sensitized solar cell multiple electrodes - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 광전극본체와, 상기 광전극본체의 일면에 형성된 광전극층을 포함하는 광전극과; 상기 광전극본체의 타면과 마주보도록 배치되는 상대전극본체와, 상기 상대전극 본체에 형성된 상대전극층을 포함하는 상대전극과; 상기 광전극 및 상기 상대전극 영역에 함침되는 전해질을 포함하는 상호 접속되는 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지에 있어서, 삽입대상 직조물 내에 삽입 직조되는 복수의 상기 전극이 전기적으로 상호 접속되도록 상기 전극이 배치된 방향을 따라 연장되며 각각의 상기 전극에 접촉되는 전극단자와이어를 포함하며, 복수의 상기 전극이 상기 삽입대상 직조물 내에 삽입되도록 직조섬유와이어 및 상기 전극단자와이어를 경사로, 상기 전극을 각각 위사로 하여 함께 삽입 직조되는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 직조섬유와이어와 함께 광전극 및 상대전극을 직조하여 직조물 사이에 함께 삽입 직조가능한 효과를 얻을 수 있다. 또한 직조물 사이에 삽입되는 전극을 전극단자와이어를 통해 서로 접촉시켜 전기적으로 연결가능한 효과를 얻을 수 있다.The present invention provides a photoelectrode comprising a photoelectrode body and a photoelectrode layer formed on one surface of the photoelectrode body; a counter electrode including a counter electrode body disposed to face the other surface of the photoelectrode body and a counter electrode layer formed on the counter electrode body; A dye-sensitized solar cell capable of inserting a plurality of interconnected electrodes comprising an electrolyte impregnated in the photoelectrode and the counter electrode region, wherein the plurality of electrodes intercalated in the woven fabric to be inserted are electrically interconnected. It includes an electrode terminal wire extending along a direction in which the electrode is disposed and in contact with each of the electrodes, and the woven fiber wire and the electrode terminal wire are inclined so that a plurality of the electrodes are inserted into the insertion target woven fabric, and the electrodes are respectively The technical gist is that the weft yarns are inserted and woven together. Thereby, by weaving the photoelectrode and the counter electrode together with the woven fiber wire, it is possible to obtain an effect that can be inserted and woven together between the woven fabrics. In addition, it is possible to obtain the effect of being electrically connectable by contacting the electrodes inserted between the woven fabrics with each other through the electrode terminal wire.
Description
본 발명은 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 직조물 사이에 삽입되는 전극을 전극단자와이어를 통해 서로 접촉시켜 전기적으로 연결가능한 구조로 이루어진 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a dye-sensitized solar cell capable of inserting a plurality of electrodes, and more particularly, to a plurality of electrodes having a structure that can be electrically connected by contacting electrodes inserted between woven fabrics to each other through an electrode terminal wire. It relates to a dye-sensitized solar cell.
염료감응형 태양전지는 염료의 태양광 흡수능력을 이용하여 화학적 발전을 일으키는 태양전지의 일종으로, 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 상부유리기판(1)의 상부에 음극(2), 염료, 전해질(3), 상대전극(4), 도전성 투명전극(5), 실링용접착제(6) 및 하부유리기판(7)을 포함한다. 그 중 음극(2)은 나노 사이즈의 다공질막 형태로 존재하는 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 이산화주석(SnO2)과 같은 넓은 밴드갭(band gap)을 가진 n형 산화물 반도체로 구성되고, 이 표면에 단분자 층의 염료가 흡착된다. A dye-sensitized solar cell is a type of solar cell that generates chemical power by using the solar light absorbing ability of the dye. Generally, as shown in FIG. 1 , the
태양광이 태양전지에 입사되면 염료 속의 페르미 에너지(Fermi energy) 부근의 전자가 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기(Excitation)된다. 이때 전자가 빠져나간 하위 준위의 빈 자리에는 이온이 전자를 제공함으로써 다시 채워진다. 염료에 전자를 제공한 이온은 양극인 상대전극(4)으로 이동하여 전자를 제공받게 된다. 이때 양극부의 상대전극(4)은 전해질(3) 속에 있는 이온의 산화환원 반응 촉매로 작용하여 표면에서의 산화환원 반응을 통하여 전해질 속의 이온에 전자를 제공하는 역할을 한다.When sunlight is incident on the solar cell, electrons near the Fermi energy in the dye absorb solar energy and are excited to an unfilled upper level. At this time, the vacancy of the lower level from which the electrons escaped is filled again by providing electrons from the ions. The ions that donated electrons to the dye move to the
상기의 염료감응형 태양전지의 구성요소 중 상부 및 하부유리기판(1, 7)은 표면에 도전성 투명전극(5)이 코팅되어 있다. 도전성 투명전극(5)으로는 주로 불소가 도핑된 산화주석(F-doped SnO2, FTO)이 사용되고 있는데, 이는 FTO가 전해질(3)과의 반응성이 낮아 장시간 사용에도 안전하기 때문이다. 그러나, FTO가 코팅된 상부 및 하부유리기판(1, 7)을 사용하는 염료감응형 태양전지는 유연성이 없기 때문에 태양전지를 구부릴 필요가 있는 응용분야에서는 사용할 수 없다는 문제점이 있다.Among the components of the dye-sensitized solar cell, the upper and
따라서, 유연성이 있는 염료감응형 태양전지가 필요한 실정이며 이에 대한 종래기술로는 '대한민국특허청 공개특허공보 제10-2005-0064566호 구부림이 가능한 태양전지 및 그 제조방법'이 알려져 있다. 이러한 종래기술은 구부림이 가능한 제1전도성기판; 상기 제1전도성기판 상에 형성된 나노입자 산화물층을 포함하는 반도체전극; 구부림이 가능한 제2전도성기판; 상기 제2전도성기판 형성한 금속층을 포함하는 대향전극; 상기 반도체전극과 상기 대향전극 사이에 개재된 전해질 용액; 및 투명필름을 포함하여 구성된다. Therefore, there is a need for a dye-sensitized solar cell with flexibility, and as a prior art for this, 'a bendable solar cell and a method for manufacturing the same' is known in the Republic of Korea Patent Publication No. 10-2005-0064566. This prior art includes a bendable first conductive substrate; a semiconductor electrode including a nanoparticle oxide layer formed on the first conductive substrate; a second conductive substrate that is bendable; a counter electrode including a metal layer on which the second conductive substrate is formed; an electrolyte solution interposed between the semiconductor electrode and the counter electrode; and a transparent film.
그러나 상기 종래기술은 유연성은 있으나 태양전지만을 별도로 사용하도록 구성된 것으로, 일반적인 직조물을 직조하는 중에 직조물 사이에 삽입할 수 없는 구조이기 때문에 활용분야가 한정되어 있다. 태양전지의 경우 하나의 전극 만을 가지고 전기를 발생시키는 것이 아니라 복수의 전극을 서로 연결하여 전기를 외부로 공급하게 되는데, 직조물에 삽입되는 전극의 경우 그 연결 구조가 잘 알려져 있지 않아 태양전지를 실제로 활용하는 데 어려움이 있다.However, although the prior art has flexibility, it is configured to use only a solar cell separately, and since it is a structure that cannot be inserted between woven fabrics while weaving a general woven fabric, the field of application is limited. In the case of a solar cell, electricity is not generated with only one electrode, but electricity is supplied to the outside by connecting a plurality of electrodes. have difficulty doing
따라서 본 발명의 목적은 직조섬유와이어와 함께 광전극 및 상대전극을 직조하여 직조물 사이에 함께 삽입 직조가능한 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a dye-sensitized solar cell capable of inserting a plurality of electrodes that can be inserted and woven together between woven materials by weaving a photoelectrode and a counter electrode together with a woven fiber wire.
또한 직조물 사이에 삽입되는 전극을 전극단자와이어를 통해 서로 접촉시켜 전기적으로 연결가능한 구조로 이루어진 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell capable of inserting a plurality of electrodes having a structure electrically connectable by contacting electrodes inserted between fabrics through electrode terminal wires.
상기한 목적은, 광전극본체와, 상기 광전극본체의 일면에 형성된 광전극층을 포함하는 광전극과; 상기 광전극본체의 타면과 마주보도록 배치되는 상대전극본체와, 상기 상대전극 본체에 형성된 상대전극층을 포함하는 상대전극과; 상기 광전극 및 상기 상대전극 영역에 함침되는 전해질을 포함하는 상호 접속되는 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지에 있어서, 삽입대상 직조물 내에 삽입 직조되는 복수의 상기 전극이 전기적으로 상호 접속되도록 상기 전극이 배치된 방향을 따라 연장되며 각각의 상기 전극에 접촉되는 전극단자와이어를 포함하며, 복수의 상기 전극이 상기 삽입대상 직조물 내에 삽입되도록 직조섬유와이어 및 상기 전극단자와이어를 경사로, 상기 전극을 각각 위사로 하여 함께 삽입 직조되는 것을 특징으로 하는 상호 접속되는 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지에 의해 달성된다.The above object, the photoelectrode body, and a photoelectrode comprising a photoelectrode layer formed on one surface of the photoelectrode body; a counter electrode including a counter electrode body disposed to face the other surface of the photoelectrode body and a counter electrode layer formed on the counter electrode body; A dye-sensitized solar cell capable of inserting a plurality of interconnected electrodes comprising an electrolyte impregnated in the photoelectrode and the counter electrode region, wherein the plurality of electrodes intercalated in the woven fabric to be inserted are electrically interconnected. It includes an electrode terminal wire extending along a direction in which the electrode is disposed and in contact with each of the electrodes, and the woven fiber wire and the electrode terminal wire are inclined so that a plurality of the electrodes are inserted into the insertion target woven fabric, and the electrodes are respectively This is achieved by a dye-sensitized solar cell capable of inserting a plurality of interconnected electrodes characterized in that they are intercalated together with a weft yarn.
여기서, 상기 전극단자와이어는, 복수의 상기 광전극이 전기적으로 상호 접속되도록 상기 광전극이 배치된 방향을 따라 연장되며 상기 광전극에 접촉되는 제1전극단자와이어와; 복수의 상기 광전극에 대응하는 복수의 상기 상대전극이 전기적으로 상호 접속되도록 상기 상대전극이 배치된 방향을 따라 연장되며 상기 상대전극에 접촉되는 제2전극단자와이어를 통해 상기 전극이 병렬로 연결되거나, 복수의 상기 전극이 배치된 방향을 따라 일전극의 광전극과 타전극의 상대전극에 교차로 접촉되는 제1전극단자와이어와; 상기 제1전극단자와이어와 대응하여 상기 일전극의 상대전극과 상기 타전극의 광전극에 교차로 접촉되는 제2전극단자와이어를 통해 상기 전극이 직렬로 연결되는 것이 바람직하다.Here, the electrode terminal wire may include: a first electrode terminal wire extending along a direction in which the photoelectrodes are disposed so that the plurality of the photoelectrodes are electrically interconnected and in contact with the photoelectrode; The electrodes are connected in parallel through a second electrode terminal wire extending in a direction in which the counter electrodes are arranged so that the plurality of counter electrodes corresponding to the plurality of photo electrodes are electrically interconnected to each other and in contact with the counter electrodes. , a first electrode terminal wire that is in contact with the photoelectrode of one electrode and the counter electrode of the other electrode alternately along a direction in which the plurality of the electrodes are arranged; Preferably, the electrodes are connected in series through a second electrode terminal wire that is in contact with the counter electrode of the one electrode and the photoelectrode of the other electrode in correspondence with the first electrode terminal wire.
또한, 상기 광전극 및 상기 상대전극 사이에 배치되어 상기 광전극 및 상기 상대전극의 쇼트(Short)를 방지하는 쇼트절연와이어를 더 포함하며, 상기 쇼트방지절연와이어를 경사로 하여 직조되며, 상기 직조섬유와이어 또는 상기 쇼트방지절연와이어는, 상기 광전극이 직조된 후 상기 광전극 상부에 상기 광전극층이 열처리에 의해 형성가능하도록 열 안정 섬유와이어인 것이 바람직하다.In addition, it further comprises a short insulating wire disposed between the photoelectrode and the counter electrode to prevent a short between the photoelectrode and the counter electrode, and is woven with the short circuit insulating wire as an inclination, the woven fiber The wire or the short-circuit-resistant insulating wire is preferably a thermally stable fiber wire so that the photoelectrode layer can be formed by heat treatment on the photoelectrode after the photoelectrode is woven.
상술한 본 발명의 구성에 따르면 직조섬유와이어와 함께 광전극 및 상대전극을 직조하여 직조물 사이에 함께 삽입 직조가능한 효과를 얻을 수 있다.According to the above-described configuration of the present invention, the photoelectrode and the counter electrode are woven together with the woven fiber wire to obtain an effect that can be inserted and woven together between the woven fabrics.
또한 직조물 사이에 삽입되는 전극을 전극단자와이어를 통해 서로 접촉시켜 전기적으로 연결가능한 효과를 얻을 수 있다.In addition, it is possible to obtain the effect of being electrically connectable by contacting the electrodes inserted between the woven fabrics with each other through the electrode terminal wire.
도 1은 종래기술에 따른 태양전지의 정면도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 정면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 태양전지의 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 태양전지의 SEM 사진이고,
도 5는 상이한 두께의 광전극층을 가진 태양전지의 SEM 사진이고,
도 6 및 도 7은 태양전지의 에너지 변환 효율을 나타낸 그래프이다.1 is a front view of a solar cell according to the prior art;
2 is a front view of a solar cell according to an embodiment of the present invention;
3 is a cross-sectional view of a solar cell according to the present invention;
4 is an SEM photograph of a solar cell according to the present invention;
5 is an SEM photograph of a solar cell having photoelectrode layers of different thicknesses;
6 and 7 are graphs showing energy conversion efficiency of a solar cell.
이하 본 발명에 따른 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a dye-sensitized solar cell capable of inserting a plurality of electrodes according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 태양전지(100)는 직조물(10) 내에 삽입되는 광전극(111)과, 광전극(111)과 이격 배치되어 삽입되는 상대전극(113)과, 광전극(111)과 상대전극(113)으로 이루어진 전극(110)을 연결하는 전극단자와이어(130)와, 광전극(111)과 상대전극(113)의 영역에 함침되는 전해질을 포함한다.As shown in FIGS. 2 and 3 , the
광전극(111)과 상대전극(113)을 동일한 방향 즉 위사로 하고, 직조섬유와이어(11)를 경사로 하여 직기에 삽입 후 이를 일반적인 섬유 직조방법을 이용하여 직조물(10)을 형성한다. 여기서 직조섬유와이어(11)는 내부에 전극(110)이 삽입되는 삽입대상 직조물(10)을 이루는 섬유와이어로, 제조공정에 따라 직조물(10) 내에 광전극본체(111a)가 삽입된 이후 광전극층(111b)이 형성될 경우 광전극층(111b) 형성과정에서 열을 가하기 때문에 열에 안정한 섬유와이어를 사용하는 것이 바람직하다.The
이와 같이 직조섬유와이어(111)와 함께 전극(10)을 삽입 직조할 경우 직조물(10)을 직조하는 중 전극(110)을 삽입하기 원하는 위치가 되면 광전극(111)과 상대전극(113)을 각각 삽입하여 직조하고, 그 이후에 다시 직조섬유와이어(11) 만을 이용해 경사 및 위사로 직조하여 직조물(10)에서 원하는 영역만 전극(110)이 삽입되도록 태양전지(100)를 직조물(10)에 구성할 수 있다. 이는 본 발명의 태양전지(100)가 유연성을 가지기 때문에 가능하다.When the
여기서 직조섬유와이어(11)는 나일론섬유(Nylon fiber), 유리섬유(Glass fiber), 폴리벤즈옥사졸섬유(Polybenzoxazole fiber), 아라미드섬유(Arimmid fiber) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.Here, the
직조물(10)에 삽입되어 함께 직조되는 광전극(111)은 도전성 재료로 이루어진 광전극본체(111a)와, 광전극본체(111a)의 일면에 형성되는 광전극층(111b)을 포함한다. 광전극본체(111a)는 전해질이 용이하게 통과할 수 있도록 복수의 천공을 포함하며, 금속리본(Metal ribbon) 또는 금속박판(Metal sheet)으로 이루어지는 것이 바람직하다.The
광전극본체(111a)의 일면에 형성되는 광전극층(111b)은 태양광을 받을 수 있도록 상대전극(113)과 마주보지 않고 외부방향을 향하도록 배치되어 직조된다. 광전극층(111)은 광전극본체(111a)에 미리 형성된 후 광전극(111)이 직조물(10)에 삽입 직조될 수 있지만, 경우에 따라서 광전극본체(111a)를 직조물(10)에 직조한 후 광전극본체(111a)의 상부에 광전극층(111b)을 형성시킬 수도 있다. 이러한 광전극층(111b)은 페이스트(Paste) 도포, 전해도금, 닥터블레이드(Doctor blade), 스크린프린팅 또는 진공증착 방법을 통해 형성되는 것이 바람직하다.The
또한 도전성 재료로 이루어지는 광전극본체(111a)는 티타늄(Ti), 스테인레스 스틸(Stainless steel) 등과 같은 금속이 바람직하며, 광전극층(111b)은 이산화티타늄(TiO2)이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.In addition, the
광전극층(111b)이 형성되지 않은 광전극본체(111a)의 타면과 마주보도록 상대전극(113)이 직조된다. 상대전극(113)은 상대전극본체(113a)와, 상대전극본체(113a)에 형성된 상대전극층(113b)을 포함한다. 상대전극본체(113a)는 광전극본체(111a)와 달리 와이어(Wire), 얀(Yan), 리본(Ribbon) 또는 박판(Sheet) 형상 등과 같이 형상이 제한적이지 않고 원하는 형상으로 직조 가능하다. 또한 상대전극본체(113a)는 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W), 은(Ag), 스테인레스 스틸(Stainless steel), 하스텔로이(Hastelloy), 인코넬(Inconel), 스텔라이트(Stellite) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 이용하여 제조된다.The
상대전극층(113b)의 경우 광전극층(111b)과 같이 일면에 형성될 수 있지만 상대전극층(113b)의 전면을 둘러싸도록 형성하여도 무방하다. 이러한 상대전극층(113b)은 백금(Pt), 카본나노튜브(Carbon nano tube, CNT) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 사용한다.The
광전극(111)과 상대전극(113)을 동일한 방향으로 삽입 직조할 때, 경우에 따라서 광전극(111)과 상대전극(113) 간에 쇼트(Short)가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 광전극(111)과 상대전극(113) 사이에 배치되어 광전극(111)과 상대전극(113)의 쇼트를 방지하는 쇼트방지절연와이어(150)를 더 포함할 수 있다. 이때 쇼트방지절연와이어(150)는 직조섬유와이어(11)와 같이 경사로 하고, 광전극(111) 및 상대전극(113)을 위사로 하여 광전극(111)과 상대전극(113) 사이에 삽입 직조하는 것이 바람직하다. 쇼트방지절연와이어(150)는 절연가능한 와이어면 어느 것이든 가능하지만, 직조섬유와이어(11)와 같이 나일론섬유(Nylon fiber), 유리섬유(Glass fiber), 폴리벤즈옥사졸섬유(Polybenzoxazole fiber), 아라미드섬유(Arimmid fiber) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.When the
이와 같이 쇼트방지절연와이어(150)가 광전극(111)과 상대전극(113) 사이에 배치될 경우 직조물(10)을 구부림, 휨과 같은 압력을 가하거나 전해질이 외부로 빠져나가 전해질의 양이 부족하더라도 광전극(111)과 상대전극(113) 간의 쇼트를 방지할 수 있다.In this way, when the short-circuit-
광전극(111) 및 상대전극(113) 간의 전자이동이 가능하도록 광전극(111) 및 상대전극(113) 영역에 전해질이 함침된다. 전해질은 아세토니트릴(Acetonitrile)이 가장 바람직하다, 이 이외에도 일반적으로 태양전지에 사용하는 전해질이면 제한 없이 사용 가능하다. 이러한 전해질이 외부로 누수되는 것을 방지하기 위해 광전극(111) 및 상대전극(113)의 외표면에 코팅필름을 코팅한다. 여기서 코팅필름은 직조물(10)의 유연성을 해치지 않도록 유연하면서도 전해질이 통과하지 않는 소재로 형성된다.Electrolyte is impregnated in the regions of the
광전극(111)과 상대전극(113)으로 이루어진 전극(110)이 삽입대상 직조물(10) 내에 복수 개가 삽입 직조될 경우 이를 전기적으로 연결하기 위해 전극단자와이어(130)가 함께 삽입 직조된다. 전극단자와이어(130)는 복수의 전극(110)이 상호 접속되도록 전극(110)이 배치된 방향을 따라 연장되며 복수의 전극(110) 각각에 접촉되어 전극(110)을 서로 전기적으로 연결한다. 전극단자와이어(130)는 전극이 배치된 방향을 따라 삽입 직조되도록 전극(110)과 수직방향 즉, 전극(110)이 위사로 직조될 경우 전극단자와이어(130)는 경사로 삽입 직조된다.When a plurality of
전극단자와이어(130)와 접속되는 복수의 전극(110)을 직렬 또는 병렬로 연결 방법을 선택하기 위해 전극단자와이어(130)의 삽입 직조 형태를 달리할 수 있다. 이때 전극단자와이어(130)는 복수의 전극(110)을 연결하기 위해 제1전극단자와이어(131)와 제2전극단자와이어(133)로 이루어진다.In order to select a method for connecting the plurality of
예를 들어 전극(110)을 병렬로 연결시킬 경우 도 2와 같이 제1전극단자와이어(131)를 복수의 광전극(111)이 전기적으로 상호 접속되도록 광전극(111)이 배치된 방향을 따라 연장되어 광전극(111) 각각에 접촉되도록 광전극(111) 만을 서로 연결시킨다. 제2전극단자와이어(133)는 제1전극단자와이어(131)와는 달리 상대전극(113)이 전기적으로 상호접속되도록 상대전극(113)이 배치된 방향을 따라 연장되어 상대전극(113) 각각에 접촉되도록 상대전극(113) 만을 서로 연결시킨다. 이와 같은 형태로 전극단자와이어(130)를 접속시켜 삽입 직조할 경우 전극(110)이 서로 병렬로 연결되게 된다.For example, when the
또한 전극(110)을 직렬로 연결시킬 경우 제1전극단자와이어(131)를 복수의 전극(110)이 배치된 방향을 따라 일전극의 광전극(111)과 타전극의 상대전극(113)에 교차로 접촉되어 전기적으로 상호 접속되도록 한다. 제2전극단자와이어(133)는 제1전극단자와이어(131)와 대응하여 일전극의 상대전극(113)과 타전극의 광전극(111)에 교차로 접촉되도록 하여 전기적으로 상호 연결하는 방식을 통해 전극(110)이 서로 직렬로 연결되게 된다.In addition, when the
이러한 전극단자와이어(130)는 티타늄 와이어(Ti wire)를 사용하는 것이 바람직하며, 광전극(111)과 접촉할 경우 도 3과 같이 광전극본체(111a)에서 광전극층(111b)과 이격된 영역에 접촉되는 것이 바람직하다.The
이하에서는 본 발명의 실시예를 좀 더 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail.
<실시예><Example>
광전극으로 8mm×3mm 스테인레스 스틸(Stainless steel 304, Tech-Etch microEtch®), 상대전극으로 탄소 섬유 필라멘트(Carbon fiber filaments, Hyosung®)를 준비하여 각각을 위사로 배치시켰다. 여기에 투명 나일론 와이어(Nylon wire, D450 1/2, Hyunmin Fiber)를 광전극과 상대전극 사이에 경사로 배치하여 직조틀을 이용하여 이들을 직조하였다.8mm × 3mm stainless steel (Stainless steel 304, Tech-Etch microEtch ® ) as a photoelectrode and carbon fiber filaments (Hyosung ® ) as a counter electrode were prepared, and each was placed as a weft thread. Here, a transparent nylon wire (Nylon wire,
이때, 광전극은 아세톤(Acetone), 에탄올(Ethanol) 및 정제수(D.I water)에 침지시키고 초음파기(Sonication)를 이용하여 세척하고 이를 질소 가스 하에서 건조시켰다. 세척 후 광전극 표면을 480℃에서 1시간 동안 공기 하에서 산화시켰다. 표면 산화 후 20nm의 나노입자를 포함하는 TiO2 페이스트(Paste)를 스크린 프린팅(Screen printing, 200mesh, stainless steel) 공정을 이용하여 광전극 표면에 증착하고, 480℃에서 1시간 동안 공기 하에서 가열하였다.At this time, the photoelectrode was immersed in acetone, ethanol and purified water (DI water), washed using a sonication, and dried under nitrogen gas. After washing, the photoelectrode surface was oxidized under air at 480°C for 1 hour. After surface oxidation, TiO 2 paste containing nanoparticles of 20 nm was deposited on the surface of the photoelectrode using a screen printing (200mesh, stainless steel) process, and heated at 480° C. under air for 1 hour.
상대전극은 광전극과 동일한 방법으로 세척 및 건조하여 탄소 섬유 필라멘트 표면의 불순물을 제거하였다. 그 후 탄소 섬유 필라멘트를 20mM H2PtCl6 ·H2O 수용액(Sigma aldrich)에 침지시키고 400℃에서 30분간 공기 하에서 수용액을 가열하여 탄소 섬유 필라멘트의 표면에 백금입자를 증착시켰다.The counter electrode was washed and dried in the same way as the photoelectrode to remove impurities on the surface of the carbon fiber filament. Thereafter, the carbon fiber filaments were immersed in 20 mM H 2 PtCl 6 · H 2 O aqueous solution (Sigma aldrich), and the aqueous solution was heated at 400° C. for 30 minutes under air to deposit platinum particles on the surface of the carbon fiber filaments.
이와 같이 광전극 및 상대전극을 처리한 후 직기(Handy loom)를 통해 광전극, 상대전극 및 쇼트방지절연와이어를 직조하여 직조체를 제조하였다. 이러한 직조체를 N719 염료(Solaronix)를 포함하는 에탄올 용액에 실온에서 20시간 동안 침지시킨다. 그 후 직조체에 아세토니트릴계(Acetonitrile) 전해질(Solarnix, Iodolyte-AN50)을 주입하여 태양전지를 제조하였다. 이와 같은 방법을 통해 전극이 삽입 직조된 태양전지는 도 4에 도시된 SEM 사진을 통해 확인할 수 있다.After processing the photoelectrode and the counter electrode in this way, the photoelectrode, the counter electrode, and the short-circuit-proof insulating wire were weaved through a loom to prepare a woven body. This woven body was immersed in an ethanol solution containing N719 dye (Solaronix) at room temperature for 20 hours. Then, an acetonitrile-based electrolyte (Solarnix, Iodolyte-AN50) was injected into the woven body to manufacture a solar cell. The solar cell in which the electrode is inserted and woven through this method can be confirmed through the SEM photograph shown in FIG. 4 .
이산화티타늄(TiO2)으로 이루어진 광전극층의 두께에 따른 효과를 확인하는 실험을 위해 상대전극은 10mm×5mm 사이즈의 3M 테이프를 FTO 유리에 마스킹(Masking)하고, 이를 400℃에서 30분 동안 공기 하에서 20mM H2PtCl6 ·H2O 수용액에 침지시켜 증착하였다. 광전극과 상대전극 사이의 전기적 쇼트를 방지하고 전해액을 유지하기 위해 한지(Hanji)를 스페이서(Spacer)로 사용하였다. For an experiment to confirm the effect according to the thickness of the photoelectrode layer made of titanium dioxide (TiO 2 ), the counter electrode was masked with a 10mm×5mm size 3M tape on FTO glass, and this was under air at 400°C for 30 minutes. Deposited by immersion in 20mM H 2 PtCl 6 · H 2 O aqueous solution. In order to prevent an electrical short between the photoelectrode and the counter electrode and to maintain the electrolyte, Hanji was used as a spacer.
복수의 광전극을 서로 병렬연결하며, 병렬연결은 직경 100㎛의 티타늄 와이어(iNexus)를 이용하여 각각의 광전극과 결합시켰다. 광전극과 마찬가지로 상대전극도 티타늄 와이어를 사용하였다.A plurality of photoelectrodes were connected in parallel with each other, and in parallel connection, a titanium wire (iNexus) having a diameter of 100 μm was used and coupled to each photoelectrode. Like the photoelectrode, a titanium wire was used for the counter electrode.
광전극층의 표면은 FE-SEM(Field-emission scanning electron microscopy)을 통해 관찰하였으며, 에너지 변환 효율은 솔라 시뮬레이터(Solar simulator, Abet Technologies, model Sun 2000, 1000 W Xe source, Keithley 2400 source meter)를 이용하여 확인하였다.The surface of the photoelectrode layer was observed through FE-SEM (Field-emission scanning electron microscopy), and the energy conversion efficiency was measured using a solar simulator (Solar simulator, Abet Technologies, model Sun 2000, 1000 W Xe source, Keithley 2400 source meter). to confirm.
도 5와 같이 광전극층을 각각 1.7㎛, 4.7㎛ 및 8.0㎛로 형성하여 에너지 변환 효율을 측정한 것으로, 도 6 및 도 7과 같이 4.7㎛일 경우 에너지 변환 효율이 가장 좋았다. 두께가 두꺼워질수록 광전극층에 생성되는 전자의 양이 증가하나 그 만큼 외부로 빠져나와 전해질 내로 세어나가게 된다. 따라서 전해질 내로 세어나가는 양이 가장 적으면서 광전극층에서 생성되는 양이 가장 많은 4.7㎛의 광전극층이 에너지 변환 효율이 가장 좋은 것으로 확인된다.
As shown in FIG. 5 , the energy conversion efficiency was measured by forming the photoelectrode layer to be 1.7 μm, 4.7 μm, and 8.0 μm, respectively. As shown in FIGS. 6 and 7 , the energy conversion efficiency was the best when the thickness was 4.7 μm. As the thickness increases, the amount of electrons generated in the photoelectrode layer increases, but the amount of electrons escapes to the outside and flows into the electrolyte. Therefore, it is confirmed that the energy conversion efficiency of the photoelectrode layer of 4.7 μm, which has the smallest amount of leakage into the electrolyte and the largest amount generated from the photoelectrode layer, has the best energy conversion efficiency.
이와 같이 본 발명의 태양전지(100)는 직조섬유와이어(11)와 함께 광전극(111) 및 상대전극(113)을 직조하여 직조물(10) 사이에 함께 삽입 직조가능한 복수의 전극(110)을 삽입할 수 있으며, 직조물(10) 사이에 삽입되는 전극(110)을 전극단자와이어(130)를 통해 서로 접촉시켜 전기적으로 연결가능한 구조로 이루어지기 때문에 직조물(10) 내에 삽입 배치되는 복수의 전극(110)을 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있는 유용한 구조이다.As described above, in the
10: 직조물 11: 직조섬유와이어
100: 태양전지 110: 전극
111: 광전극 111a: 광전극본체
111b: 광전극층 113: 상대전극
113a: 상대전극본체 113b: 상대전극층
130: 전극단자와이어 131: 제1전극단자와이어
133: 제2전극단자와이어 150: 쇼트방지절연와이어10: woven fabric 11: woven fiber wire
100: solar cell 110: electrode
111: photoelectrode 111a: photoelectrode body
111b: photoelectrode layer 113: counter electrode
113a:
130: electrode terminal wire 131: first electrode terminal wire
133: second electrode terminal wire 150: short circuit insulation wire
Claims (11)
상기 광전극 및 상기 상대전극이 일 전극을 형성하고, 상기 일 전극이 복수 개 존재하며, 삽입대상 직조물 내에 삽입 직조되는 상기 복수 개의 일 전극이 전기적으로 상호 접속되도록 상기 전극이 배치된 방향을 따라 연장되며 각각의 상기 전극에 접촉되는 전극단자와이어;를 포함하고,
상기 광전극 및 상기 상대전극 사이에 배치되어 상기 광전극 및 상기 상대전극의 쇼트(Short)를 방지하는 쇼트방지절연와이어;를 더 포함하며,
상기 복수 개의 일 전극이 상기 삽입대상 직조물 내에 삽입되도록 직조섬유와이어, 상기 전극단자와이어 및 상기 쇼트방지절연와이어를 경사로, 상기 복수 개의 일 전극을 각각 위사로 하여 함께 삽입 직조되는 것을 특징으로 하는 상호 접속되는 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지.A photoelectrode comprising a photoelectrode body and a photoelectrode layer formed on one surface of the photoelectrode body; a counter electrode body disposed to face the other surface of the photoelectrode body; and a counter electrode layer formed on the counter electrode body In the dye-sensitized solar cell capable of inserting a plurality of interconnected electrodes comprising an electrode; and an electrolyte provided between the photoelectrode and the counter electrode,
The photoelectrode and the counter electrode form one electrode, the plurality of electrodes are present, and the plurality of electrodes to be inserted and woven in the woven fabric to be inserted are electrically interconnected and extend along a direction in which the electrodes are disposed. and an electrode terminal wire in contact with each of the electrodes; and
It further includes; a short-circuit prevention insulating wire disposed between the photoelectrode and the counter electrode to prevent a short between the photoelectrode and the counter electrode,
Interconnection, characterized in that the woven fiber wire, the electrode terminal wire and the short-circuit-resistant insulating wire are used as a warp, and the plurality of electrodes are inserted and woven together with the weft yarn so that the plurality of electrodes are inserted into the fabric to be inserted. A dye-sensitized solar cell capable of inserting a plurality of electrodes.
상기 전극단자와이어는,
상기 복수 개의 일 전극의 상기 광전극이 전기적으로 상호 접속되도록 상기 광전극이 배치된 방향을 따라 연장되며 상기 광전극에 접촉되는 제1전극단자와이어와;
복수의 상기 광전극에 대응하는 복수의 상기 상대전극이 전기적으로 상호 접속되도록 상기 상대전극이 배치된 방향을 따라 연장되며 상기 상대전극에 접촉되는 제2전극단자와이어를 통해 상기 전극이 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 상호 접속되는 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지.The method of claim 1,
The electrode terminal wire,
a first electrode terminal wire extending along a direction in which the photoelectrodes are arranged and in contact with the photoelectrodes so that the photoelectrodes of the plurality of electrodes are electrically interconnected;
The electrodes are connected in parallel through a second electrode terminal wire extending along a direction in which the counter electrodes are arranged so that the plurality of counter electrodes corresponding to the plurality of photo electrodes are electrically interconnected. A dye-sensitized solar cell capable of inserting a plurality of interconnected electrodes, characterized in that.
상기 전극단자와이어는,
상기 복수 개의 일 전극이 배치된 방향을 따라 상기 일 전극의 광전극과 타 전극의 상대전극에 교차로 접촉되는 제1전극단자와이어와;
상기 제1전극단자와이어와 대응하여 상기 일 전극의 상대전극과 상기 타 전극의 광전극에 교차로 접촉되는 제2전극단자와이어를 통해 상기 전극이 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 상호 접속되는 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지.The method of claim 1,
The electrode terminal wire,
a first electrode terminal wire alternately contacting the photoelectrode of the one electrode and the counter electrode of the other electrode along a direction in which the plurality of electrodes are arranged;
A plurality of interconnected electrodes, characterized in that the electrodes are connected in series through a second electrode terminal wire that is in cross contact with the counter electrode of the one electrode and the photoelectrode of the other electrode corresponding to the first electrode terminal wire A dye-sensitized solar cell capable of inserting
상기 전극단자와이어는 상기 광전극본체에서 상기 광전극층과 이격된 영역에 접촉되는 것을 특징으로 하는 상호 접속되는 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The electrode terminal wire is a dye-sensitized solar cell capable of inserting a plurality of interconnected electrodes, characterized in that in contact with a region spaced apart from the photoelectrode layer in the photoelectrode body.
상기 전극단자와이어는 티타늄 와이어(Ti wire)인 것을 특징으로 하는 상호 접속되는 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The electrode terminal wire is a dye-sensitized solar cell capable of inserting a plurality of interconnected electrodes, characterized in that the titanium wire (Ti wire).
상기 광전극본체는 복수의 천공을 포함하는 금속박판인 것을 특징으로 하는 상호 접속되는 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지.The method of claim 1,
The photoelectrode body is a dye-sensitized solar cell capable of inserting a plurality of interconnected electrodes, characterized in that the metal thin plate including a plurality of perforations.
상기 직조섬유와이어 또는 상기 쇼트방지절연와이어는,
상기 광전극이 직조된 후 상기 광전극 상부에 상기 광전극층의 열처리에 의해 형성가능한 열 안정 섬유와이어인 것을 특징으로 하는 상호 접속되는 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지.The method of claim 1,
The woven fiber wire or the short-circuit-resistant insulating wire is,
A dye-sensitized solar cell capable of inserting a plurality of interconnected electrodes, characterized in that it is a thermally stable fiber wire that can be formed by heat treatment of the photoelectrode layer on the photoelectrode after the photoelectrode is woven.
상기 광전극 및 상기 상대전극의 외표면에 코팅되어 상기 전해질의 누수를 방지하는 코팅필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상호 접속되는 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지.The method of claim 1,
A dye-sensitized solar cell capable of inserting a plurality of interconnected electrodes, characterized in that it further comprises a coating film coated on the outer surfaces of the photoelectrode and the counter electrode to prevent leakage of the electrolyte.
상기 광전극본체는,
티타늄(Ti), 스테인레스 스틸(Stainless steel) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되며,
상기 광전극층은,
이산화티타늄(TiO2)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상호 접속되는 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지.The method of claim 1,
The photoelectrode body,
It is selected from the group consisting of titanium (Ti), stainless steel and mixtures thereof,
The photoelectrode layer,
A dye-sensitized solar cell capable of inserting a plurality of interconnected electrodes, characterized in that made of titanium dioxide (TiO 2 ).
상기 상대전극본체는,
와이어(Wire), 얀(Yarn), 리본(Ribbon) 또는 박판(Sheet) 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상호 접속되는 복수의 전극을 삽입가능한 염료감응형 태양전지.
The method of claim 1,
The counter electrode body,
A dye-sensitized solar cell capable of inserting a plurality of interconnected electrodes, characterized in that it is formed in a wire, yarn, ribbon or sheet shape.
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