KR20090070471A - 염료감응태양전지용 도전성 유리 및 이의 제조방법 - Google Patents

염료감응태양전지용 도전성 유리 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 염료감응태양전지용 도전성 유리 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 특히 유리 기판, 상기 유리 기판의 일면에 형성된 다수의 금속라인, 및 상기 유리 기판의 일면과 상기 금속 라인의 상면에 형성된 투명 전도성 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지용 도전성 유리 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이를 통하여 도전성 유리의 저항값을 낮추어 전기적 특성을 향상하고, 이렇게 얻어진 도전성 유리 기판을 염료감응태양전지에 적용할 경우, 원자재비 절감 효과와 In-line으로 공정 설비를 구성하는데 용이한 효과를 얻을 수 있으며, 광 전극층에 포함된 상기 다수의 금속라인의 산란효과로 인하여 태양전지가 흡수하는 태양광의 흡수율을 높여 고효율의 염료감응태양전지를 제공할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
염료감응태양전지, 금속라인

Description

염료감응태양전지용 도전성 유리 및 이의 제조방법 {CONDUCTIVE GLASS FOR DYE SENSITIVE SOLAR CELL AND METHOD OF PREPARING THE SAME}
본 발명은 염료감응태양전지용 도전성 유리 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도전성 유리의 저항값을 낮추어 전기적 특성을 향상하고, 이렇게 얻어진 도전성 유리 기판을 염료감응태양전지에 적용할 경우, 원자재비 절감 효과와 In-line으로 공정 설비를 구성하는데 용이한 효과를 얻을 수 있으며, 광 전극층에 포함된 상기 다수의 금속라인의 산란효과로 인하여 태양전지가 흡수하는 태양광의 흡수율을 높여 고효율의 염료감응태양전지를 제공할 수 있는 효과를 얻을 수 있는 염료감응태양전지용 도전성 유리 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 투명전도코팅은 디스플레이용 투명 도전막, 태양전지용 투명전도막 등에 사용되고 있으며, 그 시장이 날로 확대되고 있는데, 일반적으로 전기적으로 절연체인 유리(bare glass, soda-lime)에 전도성 물질을 코팅하여 제조되고 있다.
즉, 유리는 전기적으로 절연체로 상온에서 10-10 ~ 10-11 (Ω㎝)-1의 전기전도 도를 갖고 있는데, 이러한 절연체인 유리에 높은 투광성을 유지한 채 전기전도성을 부여하기 위하여 유리의 표면에 다양한 TCO(투명전도 산화막)나 금속을 코팅하여 전도성을 부여하는 것이 바로 투명전도코팅이다.
그러나 상기 TCO나 금속을 단독으로 사용하는 경우, 금속의 경우에는 전기전도도가 두께에 의해 결정되는데 반하여, TCO는 막두께와 도핑농도에 의해 결정되고, 금속의 경우는 낮은 온도에서도 자유전자가 생성되며 온도가 증가함에 따라 충돌에 의해 전기전도도가 감소하는데 반해, TCO의 경우는 낮은 온도에서 생성된 자유전자와 홀이 재결합되므로, 온도가 증가함에 따라 자유전자와 홀의 증가에 의해 전기전도도가 증가하여 그 특성이 상반되는 기능을 가지고, TCO로 이루어진 도전성 유리의 경우에는 그 저항값이 상대적으로 높아 효율이 중요한 특성중의 하나인 염료감응태양전지에 이를 적용하는 경우에는 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
따라서 이와 같은 종래의 투명전도코팅을 통한 도전성 유리를 개량하여 염료감응태양전지에 적합하고 효율을 개선할 수 있도록, 저항값이 개선된 형태의 염료감응태양전지용 도전성 유리를 개발하는 것이 절실한 실정이다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 도전성 유리의 저항값을 낮추어 전기적 특성을 향상하고, 이렇게 얻어진 도전성 유리 기판을 염료감응태양전지에 적용할 경우, 원자재비 절감 효과와 In-line으로 공정 설비를 구성하는데 용이한 효과를 얻을 수 있으며, 광 전극층에 포함된 상기 다수의 금속라인의 산란효과로 인하여 태양전지가 흡수하는 태양광의 흡수율(특히, 흡수된 태양광의 광 전극층내의 내부효율)을 높여 고효율의 염료감응태양전지를 제공할 수 있는 효과를 얻을 수 있는 염료감응태양전지용 도전성 유리 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
유리 기판;
상기 유리 기판의 일면에 형성된 다수의 금속라인; 및,
상기 유리 기판의 일면과 상기 금속 라인의 상면에 형성된 투명 전도성 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지용 도전성 유리를 제공한다.
또한 본 발명은
투명전극으로 이루어진 제1전극, 상기 투명전극의 하면에 결합하는 제2전극, 및 상기 제1전극 및 제2전극 사이의 산화물반도체, 염료 및 전해질로 이루어지는 중간층을 포함하는 염료감응태양전지에 있어서,
상기 제1전극 또는 제2전극은 상기 도전성 유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지를 제공한다.
마지막으로 본 발명은
유리 기판을 준비하는 단계;
상기 유리 기판의 일면에 다수의 금속라인을 형성하는 단계; 및,
상기 유리 기판의 일면과 상기 금속 라인의 상면에 투명 전도성 물질층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지용 도전성 유리의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 염료감응태양전지용 도전성 유리 및 이의 제조방법에 따르면, 도전성 유리의 저항값을 낮추어 전기적 특성을 향상하고, 이렇게 얻어진 도전성 유리 기판을 염료감응태양전지에 적용할 경우, 원자재비 절감 효과와 In-line으로 공정 설비를 구성하는데 용이한 효과를 얻을 수 있으며, 광 전극층에 포함된 상기 다수의 금속라인의 산란효과로 인하여 태양전지가 흡수하는 태양광의 흡수율을 높여 고효율의 염료감응태양전지를 제공할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이하 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 염료감응태양전지용 도전성 유리에 관한 것으로, 유리 기판(10), 상기 유리 기판(10)의 일면에 형성된 다수의 금속라인(20) 및, 상기 유리 기판(10)의 일면과 상기 금속 라인(20)의 상면에 형성된 투명 전도성 물질층(30)을 포함하 여 구성된다.
즉, 본 발명의 염료감응태양전지용 도전성 유리의 경우에는 종래의 TCO만이 유리 기판상에 코팅되는 것이 아니라, 상기 기술한 바와 같이 투명 전도성 물질층과 유리기판 사이에 금속라인이 삽입되어진 형태를 이루는 것이다. 이를 통하여 태양전지로 입사되는 빛의 투과율에 있어서는 그 감소를 최소화하면서, 유리기판의 저항값은 현저하게 낮출 수 있는 효과를 얻을 수 있으며, 이에 부가하여 금속라인의 우수한 반사특성을 이용하여 입사되는 태양광이 상기 다수의 금속라인의 산란효과로 인하여 태양전지가 흡수하는 태양광의 흡수율을 높일 수 있다. 이에 대한 구체적인 예는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같다.
도 1의 경우는 본 발명의 염료감응태양전지용 도전성 유리에 대한 일 실시예의 단면을 도시한 것으로, 유리기판(10) 상에 금속라인(20)이 형성되고, 이의 상부에 투명 전도성 물질층(30)이 전면에 코팅된 경우의 단면을 도시한다.
상기 금속라인(20)은 유리 기판의 전도도를 높이는데 기여하고, 이를 위하여 상기 금속라인은 바람직하게는 상호 교차하거나, 서로 나란하거나, 메쉬 형상을 이루는 형태를 가질 수 있으며, 이에 대한 구체적인 예는 도 2에 도시한 바와 같다. 즉, 도 2는 유리기판을 상부에서 바라본 평면도로서, (a)는 서로 나란히 배치된 금속라인을 도시하고, (b)의 경우는 메쉬(mesh)구조를 가지는 경우를 도시하고, (c)의 경우는 서로 교차하는 경우를 도시한 것으로, 메쉬구조 및 서로 교차하는 경우는 반드시 직각일 필요는 없고, 이는 단지 예시에 불과한 것이다. 이와 같은 금속라인은 공지의 다양한 금속이 이에 적용될 수 있으며, 바람직하게는 전기전도도 특 성이 우수한 은(Ag)으로 형성된 금속라인인 것이 전기 저항 값을 낮추는데 좋다.
상기 투명 전도성 물질은 공지의 다양한 TCO가 이에 적용될 수 있음은 물론이며, 바람직하게는 공정의 용이성 및 안정성 측면에서 ITO 또는 FTO인 것이 좋다.
또한 상기 금속라인의 구조가 메쉬 형상인 경우에는 바람직하게는 이는 격자구조인 것이 제조의 편의성 및 전기적 특성의 균일성 측면에서 바람직하고, 더욱 바람직하게는 각 격자는 (100 내지 300 ㎛) × (100 내지 300 ㎛)의 구조이고, 라인의 굵기는 10 내지 30 ㎛인 것이 제조특성 및 전기특성 측면에서 좋고, 더욱 바람직하게는 도 5에 도시한 바와 같이 270 ㎛ × 270 ㎛의 구조이고, 라인의 굵기는 22 ㎛인 것이 좋다. 또한 바람직하게는 이러한 라인의 두께는 최대로 10 ㎛, 더욱 바람직하게는 3 ㎛인 것이 막 두께 uniformity를 확보하기 위하여 좋다.
또한 본 발명은 상기 기술한 바와 같은 염료감응태양전지용 도전성 유리를 전극에 적용한 염료감응태양전지를 제공하는 바, 이는 투명전극으로 이루어진 제1전극(100), 상기 투명전극(100)의 하면에 결합하는 제2전극(200), 및 상기 제1전극(100) 및 제2전극(200) 사이의 산화물반도체, 염료(300) 및 전해질(400)로 이루어지는 중간층을 포함하는 염료감응태양전지에 있어서, 상기 제1전극(100) 또는 제2전극(200)은 상기 기술한 도전성 유리를 포함하여 이루어진다.
이에 대한 구체적인 예는 도 3에 도시한 바와 같다. 즉, 도 3은 제1전극 및 제2전극을 모두 상기 기술한 바와 같은 본 발명의 염료감응태양전지용 도전성 유리로 구성한 것으로, 이외에도 제1전극만 또는 제2전극만을 본 발명의 염료감응태양전지용 도전성 유리로 구성할 수 있음은 물론이다.
즉, 일반적인 염료감응태양전지의 경우, 상기 기술한 바와 같이 제1전극(100), 제2전극(200) 및 산화물반도체 입자와 염료가 혼합된 층(300)과 이의 하부에 위치하는 전해질(400)층으로 이루어진다. 여기에 부가적으로 산란층(350)을 더 포함할 수도 있다. 여기서 제1전극을 도시한 바와 같이 본 발명의 염료감응태양전지용 도전성 유리로 구성할 수 있고, 또는 제2전극을 도시한 바와 같이 본 발명의 염료감응태양전지용 도전성 유리로 구성할 수 있다. (이 경우에는 도시한 바와 같이 이의 상면에 백금을 코팅하여 백금 코팅층(500)을 더 포함하여 구성할 수 있다.)
이를 통하여 도 3에 도시한 바와 같이 입사한 빛은 산란효과에 의하여 태양전의 광 흡수율을 높이는 효과를 함께 얻을 수 있다.
또한 본 발명은 상기 기술한 바와 같은 염료감응태양전지용 도전성 유리를 제조하는 제조방법을 제공하는 바, 이는 유리 기판을 준비하는 단계, 상기 유리 기판의 일면에 다수의 금속라인을 형성하는 단계 및, 상기 유리 기판의 일면과 상기 금속 라인의 상면에 투명 전도성 물질층을 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.
여기서도 상기 금속라인(20)은 도 2에 그 예들을 도시한 바와 같이 상호 교차하거나, 서로 나란하거나, 메쉬 형상을 이루는 구조를 가질 수 있으며, 상기 금속라인의 재료로는 공지의 다양한 금속이 이에 적용될 수 있으며, 바람직하게는 은(Ag)으로 형성된 금속라인인 것이 좋다.
상기 금속라인을 은(Ag)으로 구성하는 경우에는, 상기 은(Ag)은 은(Ag)페이스트를 그라비아 인쇄법으로 상호 교차하거나, 서로 나란하거나, 메쉬 형상을 이루 는 라인형상으로 형성하는 것이 바람직하다. 이에 대한 구체적인 예는 도 4에 도시한 바와 같다. 즉, 패턴이 형성된 그라비아 롤에 전도성 페이스트, 바람직하게는 Ag 페이스트를 바르고, 이를 blanket 롤에 묻히고, 다시 이를 유리 기판의 상면에 전사한다. 이후에 소성공정을 투명 전도성 물질층(TCO) 형성이전에 실시하고(예를 들면, 550 ~ 600 ℃, 10 ~ 15 분) 투명 전도성 물질층(TCO) 형성한 후 열처리를 실시한다. 또한 TCO 형성 후 열처리를 함으로써, 결정화되어 hardness를 증가시킬 수 있다.
여기서 투명 전도성 물질층은 공지의 다양한 코팅방법을 통하여 공지의 다양한 전도성 코팅물질을 코팅한다. 바람직하게는 상기 코팅방법은 i) CVD를 포함한 기상증착, 또는 ii) 스퍼터링, 또는 iii) 스핀코팅을 포함하는 습식코팅 등의 방법을 적용하는 것이 좋으며, 이를 통하여 코팅되는 전도성 코팅물질은 다양한 TCO가 이에 해당하며, 바람직하게는 ITO 또는 FTO인 것이 좋다. 이와 같은 투명 전도성 물질층은 전도성 보호층으로 사용하므로 100 내지 200 Å 정도로 형성하는 것이 바람직하다.
도 5(여기서 도시한 것은 소성공정 이후의 것을 도시한 것 임.)에 도시한 바와 같은 메쉬 구조의 Ag 금속라인을, 상기 기술한 바와 같은 Ag Paste를 이용한 그라비아 인쇄법을 통하여 형성하고, 이의 상면에 FTO를 100 내지 200 Å 정도로 형성한 경우, 유리 기판의 면저항은(4-point probe로 42인치 유리기판에 적용한 경우) 아래 표 1에 나타낸 바와 같은 면저항값을 얻을 수 있었고, 이의 평균은 대략 0.30 내지 0.36 Ω/sq의 값을 나타내었다. 이는 현재 상용되고 있는 FTO만을 적용 한 경우의 면저항값인 10 Ω/sq에 비하면 훨씬 낮은 수치에 해당한다.
기판 지점1 지점2 지점3 지점4 지점5 지점6 지점7 지점8 지점9 지점10 평균
#1 0.37 0.34 0.36 0.37 0.34 0.29 0.33 0.34 0.26 0.34 0.34
#2 0.23 0.33 0.30 0.32 0.34 0.25 0.27 0.34 0.32 0.29 0.30
#3 0.27 0.36 0.29 0.35 0.44 0.33 0.38 0.36 0.31 0.35 0.34
#4 0.33 0.38 0.39 0.37 0.34 0.37 0.31 0.31 0.30 0.38 0.35
#5 0.32 0.39 0.49 0.37 0.39 0.33 0.34 0.33 0.34 0.29 0.36
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.
도 1은 본 발명의 염료감응태양전지용 도전성 유리에 대한 일 실시예의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 염료감응태양전지용 도전성 유리에 대한 실시예에서 금속라인의 배치에 대한 다양한 실시예를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 염료감응태양전지용 도전성 유리를 적용한 염료감응태양전지의 실시예의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 염료감응태양전지용 도전성 유리의 제조방법에 대한 일 실시예를 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 염료감응태양전지용 도전성 유리에 대한 일 실시예를 확대 촬영한 사진이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10: 유리 기판 20: 금속라인
30: 투명 전도성 물질층 100: 제1전극
200: 제2전극 300: 산화물반도체 및 염료
350: 산란층 400: 전해질
500: 백금 코팅층

Claims (10)

  1. 유리 기판;
    상기 유리 기판의 일면에 형성된 다수의 금속라인; 및,
    상기 유리 기판의 일면과 상기 금속 라인의 상면에 형성된 투명 전도성 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지용 도전성 유리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속라인은 상호 교차하거나, 서로 나란하거나, 메쉬 형상을 이루는 은(Ag)으로 형성된 금속라인인 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지용 도전성 유리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전도성 물질은 ITO 또는 FTO인 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지용 도전성 유리.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 메쉬 형상은 격자구조이고, 각 격자는 (100 내지 300 ㎛) × (100 내지 300 ㎛)의 구조이고, 라인의 굵기는 10 내지 30 ㎛이고, 라인의 두께는 최대로 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지용 도전성 유리.
  5. 투명전극으로 이루어진 제1전극, 상기 투명전극의 하면에 결합하는 제2전극, 및 상기 제1전극 및 제2전극 사이의 산화물반도체, 염료 및 전해질로 이루어지는 중간층을 포함하는 염료감응태양전지에 있어서,
    상기 제1전극 또는 제2전극은 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 도전성 유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지.
  6. 유리 기판을 준비하는 단계;
    상기 유리 기판의 일면에 다수의 금속라인을 형성하는 단계; 및,
    상기 유리 기판의 일면과 상기 금속 라인의 상면에 투명 전도성 물질층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지용 도전성 유리의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 금속라인은 상호 교차하거나, 서로 나란하거나, 메쉬 형상을 이루는 은(Ag)으로 형성된 금속라인인 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지용 도전성 유리의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 은(Ag)은 은(Ag)페이스트를 그라비아 인쇄법으로 상호 교차하거나, 서 로 나란하거나, 메쉬 형상을 이루는 라인형상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지용 도전성 유리의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 투명 전도성 물질은 ITO 또는 FTO인 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지용 도전성 유리의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 투명 전도성 물질의 형성은 i) 기상증착 또는 ii) 스퍼터링 또는 iii)스핀코팅을 포함하는 습식코팅에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지용 도전성 유리의 제조방법.
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