KR20150141822A - 염료감응 태양전지 직/병렬 혼합 모듈 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 염료감응 태양전지에 있어서, 단위전지를 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 모듈을 구성하는 방법에 관한 것이다.

Description

염료감응 태양전지 직/병렬 혼합 모듈 구조 {Series/parallel mixed module structure of dye sensitize solar cell}

본 발명은 염료감응 태양전지에 있어서, 단위전지를 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 모듈을 구성하는 방법에 관한 것이다.

염료감응 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)는 스위스 연방 기술원의 마이클 그라첼(Michael Gratzel)이 개발한 태양전지로써, 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조단가가 낮고, 단가 대비 에너지 변화효율이 높으며, 투명성과 구부림이 가능한 셀을 제조할 수 있어 다양한 응용분야에 이용될 수 있는 장점을 가진다.

염료감응 태양전지는 전자-홀 쌍을 생성하는 염료분자와 생성된 전자를 전달하는 반도체층이 포함된 광전극과, 염료분자로 전자를 보충해주는 전해질과, 전해질 용액의 산화환원반응의 촉매 역할을 하는 백금층이 코팅된 상대전극으로 이루어진다. 염료감응 태양전지에 빛이 입사되면 빛을 흡수한 염료가 여기상태(excited state)로 되어 전자를 반도체층의 전도대로 보내고, 전도된 전자는 전극을 따라 외부 회로로 흘러가서 전기에너지를 전달하고, 전기에너지를 전달한 만큼 낮은 에너지 상태가 되어 상대전극으로 이동한다. 염료는 반도체층에 전달한 전자 개수만큼 전해질 용액으로부터 전자를 공급받아 원래의 상태로 돌아가게 되는데, 이때 사용되는 전해질은 산화-환원 반응에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 한다.

전지의 음전극 역할을 하는 광전극은 이산화티타늄(TiO₂)과 같은 반도체층을 포함하고, 이 표면에 가시광선 영역의 빛을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성하는 염료가 흡착되어 있다. 염료에 전자를 공급하는 전해질은 I^-/I₃와 같이 산화-환원 종으로 구성되어 있으며, I^-이온의 공급원으로 LiI, NaI, 알킬암모니움 요오드, 이미다졸리움 요오드 등이 사용되고, I₃ ^-이온은 I₂를 용매에 녹여 생성시킨다. 상대전극은 백금 등으로 이루어지고, 이온 산화환원 반응의 촉매로 작용하여 표면에서의 산화 환원 반응을 통하여 전해질 속의 이온에 전자를 제공하는 역할을 한다.

염료감응 태양전지는 단위전지라 불리는 최소 단위를 전기적으로 연결한 후 패키징하여 모듈을 만들고, 이들 모듈을 조합하여 어레이를 만드는 제조공정을 거친다. 이는 단위전지만으로는 가정이나 산업현장에서 사용할 만큼 충분한 전류와 전압을 생산할 수 없기 때문이다. 단위전지를 연결하여 모듈을 제조하는 방법은 Z-타입 모듈(Zserial module), 모노리스-타입 모듈(Monolithic-serial module), W-타입 모듈(W-serial module) 등과 같이 여러 가지가 있다.

염료감응 태양전지 모듈에 관한 종래의 기술은 다음과 같다.

한국등록특허 제1,134,787호는 작업자가 노출된 공간에서 두 모듈을 효과적으로 접합시킬 수 있고 노출된 모듈의 접합 공간에서 다양한 방식으로의 접합이 가능한 구조의 염료감응 태양전지 단위모듈 및 그 제조방법을 개시한다. 그러나, 상기 기술은 상, 하 기판을 연결하는 전도성 그리드를 통해서 모두 직렬연결할 수 밖에 없다는 한계가 있다.

한국공개특허 제2008-0049168호는 단위 염료감응형 태양전지를 복수개로 연결하고 전자의 포집 및 이동을 위해 그리드전극 및 연결전극을 형성시켜, 대면적의 효율이 높은 탄소나노튜브 전극을 이용한 염료감응형 태양전지 모듈을 개시한다. 그러나 이 기술도 상, 하 기판을 연결하는 전도성 그리드를 통해서 모두 직렬연결할 수 밖에 없다는 한계가 있다.

한국공개 제2006-0012786호는, 태양전지 단위 셀 블록들을 직렬로 또는 병렬로 연결할 수 있고, 단위 면적 당 에너지 변환 효율이 상대적으로 높을 수 있는 염료감응 태양전지 모듈을 제공한다. 그러나 상기 기술은 한쪽에만 전도성 그리드가 형성된 것에 대해 어떠한 제시도 하고 있지 않다.

본 발명은, 단순 직렬형 모듈 대비 태양전지 1개 모듈 내에서 V-I 조합을 다변화하되, 연결되는 셀간의 상하 구조가 동일하여, 셀 투과도의 균일성을 가지며, 전도성 그리드 면적을 추가하지 않음으로써, 유효면적을 최대한 확보하고, 심미성을 증가시키는 모듈 구조를 제공하고자 한다.

본 발명은, 상하 구조가 동일하며, 상하 기판 사이를 연결하는 전도성 그리드를 통해서 직렬 연결된 복수 개의 염료감응 태양전지 셀로 구성되는 서브 모듈을 제공한다.

상기 서브모듈을 구성하는 각각의 셀들이 동일한 상하 구조를 가진다.

한편, 인접한 두 개 이상의 상기 서브모듈이 연결되는 부분은 상부의 광전극 또는 하부의 상대전극 중 한쪽에만 전도성 그리드가 형성되어 있으며, 다른 한쪽에는 투명전극의 분리 구조가 형성되어 있다. 상기 두 개 이상의 서브모듈이 연결되는 부분은 상/하 기판 중 어느 한쪽에만 전도성 그리드를 가지고 있다.

본 발명의 모듈 구조는,

1) 직렬로 연결되는 인접 셀들의 상하 구조가 동일하여, 각 셀의 투과도가 동일함으로써, 시각적 안정성 확보가 가능하며,

2) 모든 셀이 직렬로 연결되는 직렬형 모듈 구조에서, 전도성 그리드 일부를 단순 삭제하는 것 만으로도 병렬 구조를 도입할 수 있으며,

3) 추가적인 그리드 면적이 필요하지 않으므로, 유효면적의 보존이 가능하다.

도 1은 셀들이 직렬로 연결된 복수 개의 서브모듈이 동일 기판 내에서 병렬로 연결되는 것을 모식화한 것이다.
도 2는 모듈 상하 기판의 길이가 동일하여 양 끝단의 음극 부분이 외부로 돌출되지 않은 경우를 모식화한 것이다.
도 3은 서브모듈간의 병렬 연결이 모듈 내부에서는 음극끼리 연결되고, 외곽에서 도선으로 양극끼리 연결된 경우를 모식화한 것이다.

본 발명은, 상하 구조가 동일하며, 상하 기판 사이를 연결하는 전도성 그리드를 통해서 직렬 연결된 복수 개의 셀로 구성되는 서브 모듈이 동일 기판 내에서 병렬로 연결된 염료감응 태양전지 모듈을 제공한다.

또한 본 발명은, 인접한 두 개 이상의 상기의 서브모듈이 연결되는 부분에 있어서, 상부의 광전극 또는 하부의 상대전극 중 한쪽에만 전도성 그리드가 형성되며, 반대편에는 투명전극의 분리 구조가 형성되어 있는 모듈을 제공한다.

또한 본 발명은, 상기의 두 개 이상의 서브모듈이 연결되는 부분에 있어서, 상/하 기판 중 어느 한쪽에만 전도성 그리드가 형성되는 모듈, 및 이를 제조하는 방법을 제공한다.

아울러, 상기 태양전지 모듈이 2개 이상 연결되는 모듈에 있어서, 상기 태양전지 모듈과 인접하는 태양전지 모듈이 연결되는 부분은 상/하 기판 중 어느 한쪽에만 전도성 그리드를 가지고 있는 모듈을 제공한다.

두 개 이상의 서브모듈이 연결되는 부분은 상, 하 기판 중 전도성 그리드가 형성되지 않은 부분의 투명전도막을 절단하여 절연이 되어 있을 수 있다.

전도성 그리드는 금속 페이스트, 예를 들면 실버 페이스트를 소결하여 형성되거나; 전도성 리본 및 와이어를 삽입하여 형성될 수 있다.

셀 간 분리를 위한 절연체 격벽은 광경화형 에폭시, 열경화형 에폭시, 광경화형 실리콘, 열경화형 실리콘 및 열가소성 폴리머 중 1종 이상을 포함할 수 있다.

한편, 두 서브 모듈 사이는, 전도성 그리드와 일체형이거나 전도성 그리드와 접합된 도선과; 모듈 외곽부를 통한 반대 전극에 결합된 외부 배선 연결을 통해 이루어진 병렬 연결일 수 있다.

또한 본 발명은, 모듈 상, 하 기판의 길이가 동일하여 양 끝단의 음극 부분이 외부로 돌출되지 않은 서브 모듈을 포함한다.

구체적인 제조 방법은 다음과 같다. 모듈 전체의 상, 하 기판에 각각 전도성 그리드를 적용하는 단계에서 서브모듈이 연결되는 부분의 양극 또는 음극 쪽의 전도성 그리드는 생략하며; 상, 하 기판의 접합 단계에서 서브모듈의 연결되는 부분을 제외한 상, 하의 전도성 그리드가 서로 겹쳐지면서 서브모듈 내의 셀들이 직렬로 연결되도록 하여; 인접한 두 개 이상의 서브모듈이 연결되는 부분은 상부의 광전극 또는 하부의 상대전극 중 한쪽에만 전도성 그리드가 형성되어 있으며, 다른 한쪽에는 투명전극의 분리 구조가 형성되어 있는 염료감응 태양전지 서브모듈을 제조할 수 있다. 투명전극의 분리는 레이저를 통한 스크라이빙 또는 화학적 에칭법, (예를 들면 쿠와 염산을 이용하여 전도성산화물 투명전극을 환원시키는 방법)으로 수행될 수 있다.

본 발명의 모듈 구조는,

1) 직렬로 연결되는 인접 셀들의 상하 구조가 동일하여, 각 셀의 투과도가 동일함으로써, 시각적 안정성 확보가 가능하며,

2) 모든 셀이 직렬로 연결되는 직렬형 모듈 구조에서, 전도성 그리드 일부를 단순 삭제하는 것 만으로도 병렬 구조를 도입할 수 있으며,

3) 추가적인 그리드 면적이 필요하지 않으므로, 유효면적의 보존이 가능하다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 1과 같은 구체예에 있어서, 셀들이 직렬로 연결된 복수 개의 서브모듈이 동일 기판 내에서 병렬로 연결된다.

직렬로 연결되는 셀 중, 하나의 셀의 양극과 인접한 셀의 음극은 상-하 기판을 연결하는 전도성 그리드를 통해서 연결되며, 인접 셀 간의 음극끼리와 양극끼리는 투명전도막의 절단을 통해 분리된다. 구체적으로는, 셀 1(광전극-상대전극)-셀 2(광전극-상대전극) … 순으로 연결될 수 있다.

각 서브모듈 내의 셀의 개수는 동일하다. 한편, 서브모듈 간의 병렬 연결은, 양극 사이의 투명전도막 또는 집전극을 통해서 이루어진다.

반대 전극의 연결은 모듈 외곽부의 음극에 접합된 배선 연결을 통해 확보할 수 있다.

또한, 병렬연결의 양극 부분 전도성 그리드에 배선 연결을 통해 양극 단자를 형성할 수 있다.

도2와 같은 구체예에 있어서, 본 발명의 모듈 구조는 모듈 상하 기판의 길이가 동일하여 양 끝단의 음극 부분이 외부로 돌출되지 않은 경우를 포함할 수 있다.

도 3과 같은 구체예에 있어서, 본 발명의 모듈 구조는 서브모듈간의 병렬 연결이 모듈 내부에서는 음극끼리 연결되고, 외곽에서 도선으로 양극끼리 연결된 경우 포함할 수 있다. 예를 들면, 셀 1(상대전극-광전극)-셀 2(상대전극-광전극)… 순으로 연결될 수 있다.

10 : 광전극
20 : 투명전도막 분리구조체
30 : 전도성 그리드
40 : 절연체 격벽
50 : 전해질
60 : 상대전극(촉매층)

Claims (12)

1. 상하 구조가 동일하며, 상하 기판 사이를 연결하는 전도성 그리드를 통해서 직렬 연결된 복수 개의 셀로 구성되는 서브 모듈이 동일 기판 내에서 병렬로 연결된 염료감응 태양전지 모듈.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 서브 모듈을 구성하는 각각의 셀들이 동일한 상하 구조를 갖는 것인 모듈.
   
3. 제 1 항에 있어서, 인접한 두 개 이상의 상기 서브 모듈이 연결되는 부분은 상부의 광전극 또는 하부의 상대전극 중 한쪽에만 전도성 그리드가 형성되어 있으며, 다른 한쪽에는 투명전극의 분리 구조가 형성되어 있는 모듈.
   
4. 제 2 항에 있어서, 상기 두 개 이상의 서브 모듈이 연결되는 부분은 상/하 기판 중 어느 한쪽에만 전도성 그리드를 가지고 있는 것인 모듈.
   
5. 제 2 항에 있어서, 두 개 이상의 서브모듈이 연결되는 부분은 상, 하 기판 중 전도성 그리드가 형성되지 않은 부분의 투명전도막을 절단하여 절연이 되어 있는 것인 모듈.
   
6. 제 2 항에 있어서, 전도성 그리드는 금속 페이스트를 소결하여 형성되거나; 전도성 리본 및 와이어를 삽입하여 형성된 것인 모듈.
   
7. 제 1 항에 있어서, 셀 간 분리를 위한 절연체 격벽은 광경화형 에폭시, 열경화형 에폭시, 광경화형 실리콘, 열경화형 실리콘 및 열가소성 폴리머 중 1종 이상을 포함하는 것인 모듈.
   
8. 제 2 항에 있어서, 두 서브 모듈 사이는, 전도성 그리드와 일체형이거나 전도성 그리드와 접합된 도선과; 모듈 외곽부를 통한 반대 전극에 결합된 외부 배선 연결을 통해 이루어진 병렬 연결인 것인 모듈.
   
9. 제 1 항에 있어서, 모듈 상, 하 기판의 길이가 동일하여 양 끝단의 음극 부분이 외부로 돌출되지 않은 모듈.
   
10. 제1항에 따른 태양전지 모듈이 2개 이상 연결되는 모듈에 있어서, 상기 태양전지 모듈과 인접하는 태양전지 모듈이 연결되는 부분은 상/하 기판 중 어느 한쪽에만 전도성 그리드를 가지고 있는 모듈.
    
11. 모듈 전체의 상, 하 기판에 각각 전도성 그리드를 적용하는 단계에서 서브모듈이 연결되는 부분의 양극 또는 음극 쪽의 전도성 그리드는 생략하며; 상, 하 기판의 접합 단계에서 서브모듈의 연결되는 부분을 제외한 상, 하의 전도성 그리드가 서로 겹쳐지면서 서브모듈 내의 셀들이 직렬로 연결되도록 하여; 인접한 두 개 이상의 서브모듈이 연결되는 부분은 상부의 광전극 또는 하부의 상대전극 중 한쪽에만 전도성 그리드가 형성되어 있으며, 다른 한쪽에는 투명전극의 분리 구조가 형성되어 있는 염료감응 태양전지 모듈을 제조하는 방법.
    
12. 제 11 항에 있어서, 투명전극의 분리는 레이저를 통한 스크라이빙 또는 화학적 에칭으로 수행된 것인 방법.
    

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