KR20040034912A - 나노입자 산화물 태양전지 모듈 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지를 직렬 및 병렬로 조립하여 모듈을 구성할 때 태양전지 사이의 간격을 최소화하여 전력 손실을 최소화하고, 연속 공정을 통해 제조할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있는 태양전지 모듈과 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 단일의 제1기판에 전기적으로 분리되어 배치되며, 제1극성을 갖는 복수의 제1투명전극; 상기 각 제1투명전극 상에 패터닝되어 배치된 복수의 제1전극; 단일의 제2기판에 전기적으로 분리되어 배치되며, 제2극성-상기 제2극성은 상기 제1극성과 상보적인 극성임-을 갖는 복수의 제2투명전극; 상기 제2투명전극 상에 패터닝되어 배치되며, 상기 제1전극에 각각 대응하여 대향된 복수의 제2전극; 상기 복수의 제1전극과 제2전극이 각각 소정 간격을 두고 평면적으로 오버랩되며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극이 형성되지 않은 상기 제1투명전극과 상기 제2투명전극을 결합하고, 상기 제1전극과 상기 제2전극이 대향되는 영역을 밀폐시키는 결합/밀폐 수단; 및 상기 제1전극과 상기 제1전극에 대향하는 제2전극에 인접한 적어도 어느 하나의 제2전극을 전기적으로 서로 연결하는 전도선을 포함하는 태양전지 모듈을 제공한다.
또한, 본 발명은 전술한 태양전지 모듈의 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 나노입자 산화물 태양전지에 관한 것으로, 특히 나노입자 산화물 태양전지를 제조하여 그 전지들을 별도의 도선이나 연결고리 없이 직렬, 병렬 또는 직병렬 결합된 태양전지 모듈과 그 제조방법에 관한 것이다.
연료감응 태양전지는 기존의 실리콘을 이용한 p-n형 태양전지와는 달리, 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(Electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 반도체 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다. 이는 또한, 기존의 p-n형 태양전지에 비해 제조단가가 낮으면서 에너지 변환 효율이 높기 때문에 기존의 비정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있다는 점에서 주목받아 왔다.
지금까지 알려진 염료감응 태양전지 중 대표적인 예로는 1991년 스위스의 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 발표된 아나타제 구조인 염료감응 나노입자 산화티타늄이 있다. 이 염료감응 나노입자 산화티타늄 태양전지는 염료분자가 입혀진 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 반도체 전극, 백금 전극, 그리고 그 사이에 채워진 전해질로 구성되어 있다.
일반적인 염료감응 나노입자 산화물 반도체 전극의 작용은, 나노입자 산화물반도체 전극에 화학적으로 흡착된 염료분자가 태양 빛을 흡수하여 염료분자는 기저상태에서 여기상태로 들뜨게 되고, 여기된 염료분자는 나노입자 산화물 반도체의 전도대에 전자를 주입하게 된다. 나노입자 산화물층으로 주입된 전자는 입자간 계면을 통하여 나노입자 산화물층에 접하고 있는 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 이산화주석과 같은 투명 전도성 물질을 통하여 외부 도선을 통하여 백금 대향전극으로 이동된다.
전자 전이의 결과로 산화된 염료분자는 전해질 용액 내의 산화/환원 종에 의해 다시 환원되며, 산화/환원 종은 대향 전극에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 염료감응 태양전지의 작동 과정이 완성된다. 이러한 염료감응 태양전지의 광전압은 나노입자 산화물층의 페르미 에너지와 전해질 용액의 산화/환원 전위 차이에 의해 결정되며 일반적으로 0.6 ∼ 1.0 V의 광전압을 보여주고 있다.
따라서, 염료감응 나노입자 태양전지를 전원으로 필요로 하는 각 종 제품에 상업적으로 활용하기 위하여 원하는 전압으로 승압시켜야 한다.
한편, 복수의 태양전지들을 상호 결선하여 특정의 전압을 공급하게끔 모듈이 구성되는 바, 종래의 태양전지의 결선은 제1태양전지의 음전극과 제2태양전지의 양전극을 별도의 도선 혹의 접촉 금속을 이용하여 각 전지를 직렬 및 병렬로 연결하는 태양전지의 결선 방법을 제공하여 왔다.
도 1은 상술한 바와 같은 종래기술(일본공개특허공보 제 2000-315811호)의 결선 방법에 따른 태양전지 모듈을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 복수의 태양전지(10a, 10b, 10c)를 나란히 배열하되, 이웃하는 태양전지의 표면측(12a, 12b, 12c)의 극성을 서로 다르게 배열하여 표면측과 표면측 및 이면측(11a, 11b, 11c)과 이면측을 도선 또는 금속(13)을 이용하여 전기적으로 접속하거나(직렬 연결) 또는 표면측과 이면측을 병렬 연결하는 방법을 제공하여 왔다.
상기와 같이 구성된 종래의 태양전지 모듈은, 각 태양전지를 직렬 혹은 병렬로 결선하기 위하여 각 태양전지를 별도의 도선을 이용하여 연결하거나 또는 전기적 접속이 되도록 하기 위해 별도의 연결고리가 필요시된다. 따라서, 전지 사이의 단락 가능성이 있으며, 접촉 저항에 의한 전력손실이 발생하게 된다.
또한, 개개의 태양전지를 제조한 후 각 태양전지의 전극간을 연결하기 위해 별도의 도선을 접속시키는 공정이 추가되므로써 공정이 복잡해질 뿐만아니라, 연속적인 공정이 이루어어지지 못해 생산성이 저하되는 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 태양전지를 직렬 및 병렬로 조립하여 모듈을 구성할 때 태양전지 사이의 간격을 최소화하여, 전력 손실을 최소화하고 전지사이의 접촉 저항을 최소화할 수 있는 태양전지 모듈을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 태양전지의 각 전극간 연결을 위한 별도의 도선 형성 공정을 생략할 수 있어 공정 단순화를 기할 수 있고, 태양전지 모듈을 연속 공정을 통해 제조할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있는 태양전지 모듈의 제조방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
도 1은 종래기술의 결선 방법에 따른 태양전지 모듈을 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자 산화물 태양전지의 양전극과 음전극의 구조를 도시한 평면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자 산화물 태양전지 모듈의 완성된 구조를 도시한 단면도.
도 4는 전술한 태양전지 모듈을 제조하는 공정을 도시한 플로우 챠트.
도 5는 본 발명에 따라 제조한 태양전지 모듈과 개별 태양전지들의 광전류-전압 특성을 도시한 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명
20 : 제1기판21 : 제2기판
22a, 22b : 투명전극23 : 제1전극(음전극)
24 : 제2전극(양전극)25 : 결합/밀폐부
26 : 전해질27 : 전도선
29 : 제1태양전지30 : 제2태양전지
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 단일의 제1기판에 전기적으로 분리되어 배치되며, 제1극성을 갖는 복수의 제1투명전극; 상기 각 제1투명전극 상에 패터닝되어 배치된 복수의 제1전극; 단일의 제2기판에 전기적으로 분리되어 배치되며, 제2극성-상기 제2극성은 상기 제1극성과 상보적인 극성임-을 갖는 복수의 제2투명전극; 상기 제2투명전극 상에 패터닝되어 배치되며, 상기 제1전극에 각각 대응하여 대향된 복수의 제2전극; 상기 복수의 제1전극과 제2전극이 각각 소정 간격을 두고 평면적으로 오버랩되며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극이 형성되지 않은 상기 제1투명전극과 상기 제2투명전극을 결합하고, 상기 제1전극과 상기 제2전극이 대향되는 영역을 밀폐시키는 결합/밀폐 수단; 및 상기 제1전극과 상기 제1전극에 대향하는 제2전극에 인접한 적어도 어느 하나의 제2전극을 전기적으로 서로 연결하는 전도선을 포함하는 태양전지 모듈을 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 단일의 제1기판 상에 전기적으로 분리되며, 제1극성을 갖는 복수의 제1투명전극을 형성하는 단계; 상기 각 제1투명전극 상에 복수의 제1전극을 패터닝하여 형성하는 단계; 하나의 태양전지 당 기설정된 개수의 관통된 소정 크기의 구멍을 갖는 단일의 제2기판 상에 전기적으로 분리되어 배치되며, 제2극성-상기 제2극성은 상기 제1극성의 상보적인 극성임-을 갖는 복수의 제2투명전극을 형성하는 단계; 상기 각 제2투명전극 상에 복수의 제2전극을 패터닝하여 형성하는 단계; 상기 제2투명전극의 일측에 전도선을 형성하는 단계; 상기 제1투명전극과 상기 제2투명전극이 서로 엇갈리며, 상기 복수의 제1전극과 상기 제2전극이 각각 서로 대응 및 대향되도록 상기 제1투명전극과 상기 제2투명전극 사이에 결합/밀폐 수단을 넣고 접촉시키는 단계; 가열 압착 공정을 실시하여 상기 결합/밀폐수단에 의해 상기 제1투명전극과 상기 제2투명전극이 서로 결합되어 상기 제1전극과 상기 제2전극이 오버랩되는 영역을 밀폐시키며, 상기 전도선을 통해 상기 제1투명전극과 상기 제2투명전극을 연결시키는 단계; 및 상기 구멍을 통하여 상기 결합/밀폐 수단 사이의 밀폐영역에 전해질을 주입하는 단계를 포함하는 태양전지 모듈 제조방법을 제공한다.
본 발명은 태양전지들을 외부의 별도의 도선 연결없이 태양전지 내부에 있는 전도성 탄소층 또는 백금 등의 전도선을 통해 연결함으로써, 필요한 전압으로 직렬, 병렬 또는 직병렬 연결할 수 있도록 하여 태양전지 간의 단락에 따른 불량 발생확률을 줄이고, 이로인한 전력 손실을 감소시킬수 있는 태양전지 모듈과 이러한 전지간의 접속을 위한 별도의 도선 공정을 생략하여 공정의 단순화를 기할 수 있음과 동시에 공정의 연속성을 확보할 수 있는 태양전지 모듈의 제조 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자 산화물 태양전지의 양전극과 음전극의 구조를 도시한 평면도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자 산화물 태양전지 모듈의 완성된 구조를 도시한 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 단일의 제1기판(20) 상에 전도성 투명전극(22a)이 화학적 식각 공정 또는 레이저 식각을 통해 전기적으로 분리되어 있다(도 2의 점선은 투명전극(22a, 22b)이 서로 전기적 분리되어 있음을 나타냄).
여기서, 투명전극(22a, 22b)은 이산화주석(SnO2) 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 투명 전도성 물질로서, 제1기판(20)과 제2기판(21)에 코팅되어 있다. 따라서, 제1기판(20)과 투명전극(22a) 및 제2기판(21)과 투명전극(22b)을 각각 전도성 유리 기판이라 칭하기도 한다.
투명전극(22a) 상에는 제1전극(23)이 패터닝되어 배치되어 있으며, 제1전극(23) 상에는 Ru 염료분자가 화학적으로 흡착되어 있다.
제1전극(23)은 산화물 전극으로, 산화티타늄(예컨대, 이산화티탄(TiO2)), 이산화주석 또는 산화아연(ZnO) 등의 나노입자 산화물을 5㎛ ∼ 30㎛ 두께로 증착하여 패턴닝함으로써 형성된다.
여기서, 투명전극(22a)과 제1전극(23)은 각각 음극성을 갖는 것을 그 일예로 하는 바, 이하에서는 제1전극(23)을 '음전극'이라 칭한다.
음전극(23)은 투명전극(22a)과 함께 단일의 제1기판(20) 상에 전기적으로 분리되어 배치되어 있으며, 음전극(23)은 산화티타늄을 증착한 다음, 패터닝하여 형성한다.
상기 제1기판(20)과 대향되는 제2기판(21) 상에는 투명전극(22b)이 서로 전기적으로 분리되어 형성되어 있으며, 투명전극(22b) 상에는 제2전극(24)이 패터닝되어 배치되어 있다.
여기서, 투명전극(22b)과 제2전극(24)은 각각 양극성을 갖는 것을 그 일예로 하는 바, 이하에서는 제2전극(24)을 '양전극'이라 칭한다.
양전극(24)은 투명전극(22b)과 함께 단일의 제2기판(21) 상에 전기적으로 분리되어 배치되어 있으며, 양전극(24)은 백금을 이용한 백금막을 이용한다.
대향하는 양전극(24)들과 음전극(23)들은 각각 소정의 간격 'd'를 가지고 평면적으로 오버랩되어 배치되어 있으며, 음전극(23)이 형성되지 않은 투명전극(22a)과 양전극(24)이 형성되지 않은 투명전극(22b)이 결합/밀폐부(25)를 통해 서로 결합되어 있다. 따라서, 대향되는 양전극(24)과 음전극(23) 사이의 영역은 결합/밀폐부(25)에 의해 밀폐되어 있다.
제1태양전지(29)의 투명전극(22b)과 제2태양전지(30)의 투명전극(22a)은 서로 마주보며 엇갈리게 배치되어 있으며, 이렇듯 엇각리게 배치된 두 태양전지(29, 30)의 각 투명전극(22a, 22b) 상에 배치된 음전극(23)과 양전극(24)은 전도선(27)을 통해 서로 전기적으로 연결되어 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 제1태양전지(29)와 제2태양전지(30)는 전도선(27)을 통해 서로 직렬 접속되어 있음을 확인할 수 있다.
여기서, 전도선(27)은 전도성을 갖는 탄소층을 이용하여 형성하거나, 보다 전도성을 향상시키기 위해 탄소층에 구리, 텅스텐, 백금 또는 은 등의 금속을 혼합하여 형성된 것으로, 이를 통해 두 태양전지(29, 30) 간의 직렬 접속에 따른 단락 가능성이 현저히 감소함을 알 수 있으며, 접촉 저항을 감소시킬 수 있음을 예측할 수 있다.
또한, 제2기판(21)에는 소정 크기의 관통된 구멍(28)이 양전극(24) 양측에 배치되어 있어 이를 통해 결합/밀폐부(25) 사이의 밀폐된 영역에 전해질(26)이 주입되어 있다.
여기서 구멍(28)은 제2기판(21)에 형성된 것을 그 일예로 하였으나, 제1기판(20)에 형성될 수도 있다. 전해질(26)은 요오드계 산화-환원 전해질을 주로 이용하는 바, 그 예로서 0.8 M의 1,2-디메틸-3-옥틸 이미다조리움 아이오다이드(1,2-dimethyl-3-octyl imidazolium iodide)와 40 mM의 I2(Iodine)를 3-메톡시프로피오니트릴(3-Methoxypropionitile)에 용해시킨 I3 -/I-의 전해질 용액을 사용한다.
결합/밀폐부(25)는 30㎛ ∼ 50㎛의 두께와 1㎜ ∼ 4㎜의 폭을 갖는 열가소성 고분자 필름 예컨대, 썰린(Surlyn)으로 이루어진다.
제1기판(20)의 음전극(23) 상에 흡착된 염료분자는 태양 빛을 흡수하여 기저 상태에서 여기 상태로 전자 전이하여 음전극(23)의 전도대(Conduction band)로 전자를 주입한다.
음전극(23)으로 주입된 전자는 입자간 계면을 통하여 투명전극(22a) 접하고 있는 음전극(23)에 전달되고, 투명전극(22a)과 투명전극(22b)를 상호 연결하는 전도선(27)을 통해 이웃하는 태양전지(29)의 양전극(24)으로 전달된다.
전자 전이의 결과로 산화된 염료분자는 전해질(26) 용액 내의 요오드 이온의 산화(3I-->I3 -+2e-)에 의해 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며, 산화된 요오드 이온(I3 -)은 전도선(27)을 통해 연결된 이웃한 양전극(24)으로부터 제공되어 다시 환원되는 과정을 통해 연료감응 태양전지의 동작이 이루어진다
전술한 도 3에서는 두 개의 태양전지(29, 30)가 직렬접속된 것을 예로 하였으나, 복수의 병렬접속 및 직병렬접속 등 다양한 형태의 태양전지 모듈을 전도선(27)에 의해 구성할 수 있다.
도 4는 전술한 태양전지 모듈을 제조하는 공정을 도시한 플로우 챠트로서, 이를 참조하여 제조 공정을 상세히 살펴 본다.
도 3의 제1기판(20)에 제1전극인 음전극(23)을 형성하는 과정을 살펴본다. 먼저, 제1기판(20)에 코팅된 SnO2또는 ITO를 화학적 또는 레이져를 이용한 식각 공정을 통해 식각하여, 이웃하는 투명전극(22a)과 전기적으로 서로 분리되도록 패터닝된 복수의 투명전극(22a)을 형성한다(40).
이 때, 태양전지 모듈의 구성(태양전지의 접속 형태와 개수)에 맞추어 투명전극(22a)을 식각한다.
이어서, 동일한 제1기판(20)에 서로 분리되어 형성된 투명전극(22a) 상에 산화티타늄(TiO2) 슬러리(도시하지 않음)를 닥터 블레이드법 등의 증착 방법을 통해 5㎛ ∼ 10㎛ 두께로 도포한다.
여기서, 산화티타늄 슬러리(도시하지 않음)는, 티타늄 아이소프로포사이드(Ti(Ⅳ)isopropoxide)와 아세트산(CH3COOH)을 220℃의 오토클레이브에서 합성-수열합성(Hydrothermal synthesis) 공정이라 함-하여 제조된 산화티타늄(전이금속 산화물) 콜로이드를 통해 형성된다.
이어서, 건조 과정을 통해 용액 내에서 산화티타늄의 함량이 13 무게%(10% ∼ 15%)가 될 때까지 기형성되어 합성된 산화티타늄 콜로이드 용액으로부터 나노입자의 산화티타늄 콜로이드 용액을 얻는다.
이어서, 상기 나노입자 산화티타늄 콜로이드 용액에 폴리에틸렌 옥사이드(Poly-ethylene oxide)와 폴리에틸렌 글리콜(Poly-ethylene glycol)을 산화티타늄 총 중량의 20 중량%의 양으로 첨가하여 점성을 갖는 나노입자 산화티타늄 콜로이드 용액을 제조한다(41). 이 때, 산화티타늄은 5㎚ ∼ 30㎚의 직경을 갖는다.
이어서, 상기 점성을 갖는 나노입자 산화티타늄 콜로이드 용액을 투명전극(22a)이 형성 및 분리된 제1기판(20)에 30㎛ ∼ 50㎛의 두께로 코팅한 후(42), 450 ∼ 550 ℃로 가열하여 상기 폴리에틸렌 옥사이드와 폴리에틸렌 글리콜 등의 유기 고분자를 제거하고, 나노입자 산화물들 간의 접촉과 충진이 되도록 하여나노입자 산화물층을 형성한다(43). 다시, 가열된 산화티타늄이 입혀진 음전극(23)을 Ru염료 용액에 24시간 이상 함침하여 염료가 코팅된 제2전극-산화티타늄 음전극(22)-을 형성한다(44).
다음으로, 도 3의 제2기판(21)에 제2전극인 양전극(24)을 형성하는 과정을 살펴 본다.
먼저, 후속 전해질 주입을 위한 관통된 소정 크기의 구멍(28)을 갖는 제2기판(21)에 코팅된 SnO2또는 ITO을 식각하여 이웃하는 투명전극(22b)과 전기적으로 서로 분리된 복수의 투명전극(22b)을 형성한다(45).
여기서, 전술한 구멍(28)은 통상적으로 0.75 mm 직경의 드릴을 이용하여 형성한 것이다.
이 때, 태양전지 모듈의 구성(태양전지의 접속 형태와 개수)에 따라 형성된 음전극(23)과 맞추어 투명전극(22b)의 패터닝 마스크를 적절히 사용하며, 음전극(23)과의 대향 조립시 서로 엇갈린 구조가 되도록 이웃하는 태양전지의 음전극(23)이 형성되지 않은 투명전극(22a)과 자신의 양전극(24)이 형성되지 않는 투명전극(22b)이 서로 오버랩되도록 적절히 배치하는 것이 중요하다.
이어서, 투명전극(22b) 상에 양전극(24)을 형성하는 바, 양전극(24)으로는 통상 백금막을 사용한다.
이어서, 5mM 헥사클로로플라티늄산(H2PtCl6·xH2O) 수용액을 투명전극(22b) 상에 코팅한 다음, 450℃의 온도로 30분 정도 가열하여 양전극(24)인 백금막을 형성한다(46).
이어서, 양전극(24)을 갖는 제2기판(21)의 이웃하는 태양전지의 투명전극(22a)과 대향되는 투명전극(22b)에 후속 이웃하는 태양전지와의 연결을 전기적 연결을 위한 전도선(27)을 형성한다(47).
여기서는 전도선(27)의 물질로 전도성 탄소층을 사용하는 것을 일예로 하였다.
탄소층 형성을 위해 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrroridone; 이하 NMP라 함) 등과 같은 휘발이 용이한 유기 용매에 전도성 탄소층 형성시 안정한 박막 형성에 도움을 주는 폴리비닐리덴 플로라이드(PolyVinyliDene Flouride; 이하 PVDF라 함)와 같은 고분자를 녹인 용액에 탄소 미분말을 첨가 혼합한 원료를 사용하여 투명전극(22b)의 일측에 코팅하여 형성한다.
한편, 전도선(27)은 전술한 전도성 탄소층에 전도성을 향상시키기 위해 백금, 은, 구리, 텅스텐 또는 구리 등을 더 포함하여 전도성을 향상시킬 수 있는 바, 전술한 원료에서 탄소 미분발에 각각에 해당하는 미분말을 첨가하여 사용함으로써 가능하다.
이 때, 전도선(27)의 두께는 10㎛ ∼ 40㎛ 정도로 하는 것이 바람직하며, 전도성 탄소층을 형성하는 경우 80℃에서 24 시간 동안 건조하는 것이 바람직하다.
이어서, 음전극(23)과 양전극(24)이 서로 대향하도록 조립한다(48).
즉, 상기와 같이 형성된 두 전극을 접합시켜 결합/밀폐부 예컨대, 썰린 등의 열가소성 고분자 필름(25)을 사이에 두고 가열 압착 공정에 의해 투명전극(22a,22b)이 서로 엇갈리게 접합하도록 함으로써, 상기 두 전극(23, 24)이 서로 대향되도록 한다.
구체적으로, 상기 두 전극(23, 24)을 조립할 때, 두 전극(23, 24) 사이에 30∼50㎛ 두께의 썰린을 각각 백금(Pt)과 산화티타늄(TiO2)이 입혀진 표면의 밖 즉, 이웃하는 태양전지와 마주보는 투명전극(22a, 22b)의 표면에 위치하도록 접촉시켜 두 전극(23, 24)을 마주하게 한다.
이어서, 100∼140 ℃의 가열 판에 놓고 1 ∼ 3 기압의 압력으로 두 전극(23, 24)을 밀착한다. 열과 압력에 의하여 결합/밀폐부(25)가 두 전극(23, 24)의 표면과 강하게 부착되며, 이 때 두 전극(23, 24)의 대향되는 영역은 밀폐된다.
또한, 이 과정에서 양전극(24)이 형성된 투명전극(22b)에 형성된 전도선(27)은 이웃하는 태양전지의 대향되는 투명전극(22a)와 결합된다.
따라서, 이웃하는 각 태양전지는 서로 반대 극성을 갖는 전극과 연결되어 복수의 태양전지가 직렬로 접속된 태양전지 모듈의 형태가 완성된다.
이어서, 양전극(24)이 형성된 제2기판(21)의 미세 구멍(28)을 통하여 요오드계 산화-환원 전해질(26)을 주입하여 태양전지 모듈이 완성된다(49).
전술한 바와 같이, 태양전지 모듈을 제조하는 일련의 공정이 개개의 태양전지를 제조한 다음, 각 태양전지의 전극을 상호 결선하여 원하는 형태의 모듈을 제조하던 종래의 제조 공정에 비해, 개개의 태양전지 제조 공정에서 전도선을 형성하고, 이러한 전도선을 이용한 각 태양전지의 전극을 상호 연결함으로써 종래의 별도의 결선 공정에 비해 공정의 단순화를 기할 수 있다.
아울러, 이러한 일련의 태양전지 모듈의 제조 공정을 연속적으로 실시할 수 있어, 이를 통해 태양전지 모듈을 양산화하기에 보다 적합하게 함으로써 태양전지 모듈의 제조함에 따른 생산성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 요오드계 산화-환원 전해질(26)은 0.8 M의 1,2-디메틸-3-옥틸 이미다조리움 아이오다이드와 40 mM의 I2를 3-메톡시프로피오니트릴에 용해시킨 전해질인 I3 -/I-의 전해질 용액이나, 0.8M LiI와 40 mM의 I2와 0.2M의 TBP(4-tert-butylpyridine)을 아세토니트릴에 용해시킨 전해질 용액을 사용할 수 있다.
결합/밀폐부(25)에 의해 밀폐된 공간에 전해질(26)을 채워 넣은 후, 미세 구멍(28)은 썰린과 얇은 유리를 순간적으로 가열하여 막는다.
따라서, 태양전지 모듈 제조시 각 태양전지를 접속함에 따른 전기적 특성 열화를 방지할 수 있음과 동시에 연속 공정으로 모듈을 제조함으로 인해 일련의 공정 과정을 통해 모듈을 생산할 수 있어 생산성을 향성시킬 수 있다.
이하에서는 전술한 도 3과 같이 두개의 태양전지가 직렬로 접속된 태양전지 모듈과 개별 태양전지를 직렬 접속한 태양전지 모듈의 특성을 비교한 예를 상세히 살펴 본다.
먼저, 티타늄(IV)아이소프로폭사이드와 아세트산을 사용하여 220℃의 오토클레이브에서 수열합성한 13 무게%의 이산화티탄 콜로이드 용액에 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌옥사이드를 이산화티탄의 총 중량을 기준으로 각각 20 중량%의 양으로 첨가하여 점성이 있는 나노입자 이산화티탄 콜로이드 용액을 완성한다.
이어서, 나노입자 산화물 콜로이드 용액을 식각되어 각각 분리된 전도성 ITO 또는 SnO2가 코팅되어 있는 투명한 전도성 유리 기판에 8㎛의 두께로 코팅한 후, 500℃(450℃ ∼ 550℃)의 온도로 30분 가열하여 첨가된 고분자를 제거하고, 루테늄(Ru)계 염료분자가 용해되어 있는 에탄올 용액 중에 24시간 이상 함침하여 염료분자를 흡착시켜 음전극을 형성하였다.
양극인 백금 대향 전극은 식각된 전도성 ITO 또는 SnO2가 코팅되어 있는 투명한 전도성 유리 기판 위에 미세한 구멍을 형성한 후, 5 mM 헥사클로로플라티늄산(H2PtCl6·xH2O) 수용액을 분산하고 450℃의 온도로 30분 가열하여 배금 대향 전극을 형성한다. 백금 양전극 형성후, 전도성 탄소층을 형성하기 위하여, NMP 용매에 PVDF 고분자를 녹인 용액에 탄소계 재료인 인조흑연(MCMB 10-28, Osaka Gas Co. 제품) 미분말을 첨가하여 회전속도 1000 rpm으로 2시간 혼합하여 사용하였다. 혼합비율은 탄소계 재료:PVDF:NMP=54:6:40의 무게비로 혼합하였다. 탄소층의 두께는 12㎛로 형성하였으며 80℃의 온도에서 24시간 건조하여 대향하는 양전극을 완성하였다.
태양전지 모듈을 완성하기 위하여, 양전극과 음전극을 전도성 면을 안쪽으로 하여 백금층과 염료가 입혀진 나노입자 산화물층을 마주보게 하여 식각되어 분리된 각 태양전지 가장자리에 30㎛ 두께의 열가소성 고분자 재료를 놓은 다음, 2기압, 110℃의 온도에서 30초간 두 전극을 밀착한 다음, 대향전극에 미리 마련한 미세구멍을 통하여 전해질을 주입하고 구멍을 밀폐한다. 전해질 용액으로, 0.8 M의 1,2-디메틸-3-헥실-이미다졸륨 아이오다이드와 40 mM의 I2를 3-메톡시프로피오니트릴에 용해시킨 I3 -/I-의 전해질 용액을 사용하였다.
광원으로는 제논 램프(Xenon lamp, Oriel, 91193)를 사용하였고, 제논 램프의 태양조건(AM 1.5(100 mW/cm2))은 표준 태양전지(Frunhofer Institute Solare Engeriessysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material : Mono-Si + KG filter)를 사용하여 보정하였다.
도 5는 본 발명에 따라 제조한 태양전지 모듈과 개별 태양전지들의 광전류(Photocurrent)-전압(Voltage) 특성을 도시한 그래프이며, 도 5로부터 계산된 광전기적 특성 결과는 하기의 표 1과 같다.
| 광전류(㎃) | 광전류밀도(㎃/㎠) | 광전압(V) | 효율(%) | |
| 태양전지(Cell) 모듈(1+2) | 2.20 | 4.4 | 1.31 | 3.52 |
| 태양전지(Cell) 1 | 2.23 | 8.92 | 0.65 | 3.44 |
| 태양전지(Cell) 2 | 2.19 | 8.76 | 0.68 | 3.72 |
도 5와 상기 표 1을 참조하면, 본 발명과 같이 태양전지 2개를 전도성 탄소층 등의 전도선의 도입에 의하여 직렬로 접속(연결)한 태양전지 모듈은, 에너지 변환 효율의 감소없이 개별 태양전지의 광전압을 합한 것과 같은 광전압을 보여주고 있다.
따라서, 본 발명에 의한 전도선의 도입에 의한 태양전지의 직렬 접속 방법은에너지 변환효율의 감소없이 광전압을 증가시킬수 있는 것으로, 직렬 접속되는 개별 태양전지들의 개수의 증가에 따라 필요한 전압을 얻을 수 있는 방법으로 태양전지 모듈 제조가 용이할 것으로 판단되어 진다.
상술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 개개의 태양전지 형성 후, 각 태양전지의 전극간 결선을 위해 실시하던 결선 공정을 없애고, 각 태양전지 모듈 형성 공정 내에서 각 태양전지의 전극간 연결이 이루어지도록 태양전지 모듈의 구조를 바꿈으로서, 각 태양전지의 전극간 접촉 면적을 종래의 별도의 도선에 의한 연결시 보다 매우 크게 하여 전지 사이의 단락 가능성이 크게 감소하였으며, 접촉 저항을 감소시켰다. 그 결과 태양전지 모듈의 전력감소를 최소화하였다.
또한, 본 발명은 실리콘 태양전지를 기본으로 하는 모듈에 비하여 본 발명은 나노입자 산화물 태양전지를 기본으로 하는 모듈로써 투명성과 원하는 전류 전압을 손쉽게 생성할 수 있다.
또한, 일련의 연속되는 공정을 통해 태양전지 모듈을 제조할 수 있어, 공정의 단순화와 연속성을 통해 생산성을 향상시킬 수 있을을 실시예를 통해 알아 보았다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
예컨대, 본 발명의 실시예에서는 각각의 태양전지가 직렬 접속된 형태의 태양전지 모듈을 그 일예로 하였으나, 이외에도 병렬 또는 직병렬 접속된 형태에도 적용이 가능하다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 태양전지 모듈을 제조하는데 있어서 에너지변환 효율을 최적화하기 위하여 음전극과 양전극의 연결 부분을 연속되는 공정에 의해 형성할 수 있는 전도선을 통해 연결함으로써, 제조가 매우 용이하고, 투명 태양전지들 간의 연결에 따른 전력감소를 최소화할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 복수의 태양전지가 직렬, 병렬 또는 직병렬 접속된 태양전지를 연속되는 공정을 통해 생산할 수 있어, 태양전지 모듈의 제조시 생산성을 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.
Claims (14)
- 단일의 제1기판에 전기적으로 분리되어 배치되며, 제1극성을 갖는 복수의 제1투명전극;상기 각 제1투명전극 상에 패터닝되어 배치된 복수의 제1전극;단일의 제2기판에 전기적으로 분리되어 배치되며, 제2극성-상기 제2극성은 상기 제1극성과 상보적인 극성임-을 갖는 복수의 제2투명전극;상기 제2투명전극 상에 패터닝되어 배치되며, 상기 제1전극에 각각 대응하여 대향된 복수의 제2전극;상기 복수의 제1전극과 제2전극이 각각 소정 간격을 두고 평면적으로 오버랩되며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극이 형성되지 않은 상기 제1투명전극과 상기 제2투명전극을 결합하고, 상기 제1전극과 상기 제2전극이 대향되는 영역을 밀폐시키는 결합/밀폐 수단; 및상기 제1전극과 상기 제1전극에 대향하는 제2전극에 인접한 적어도 어느 하나의 제2전극을 전기적으로 서로 연결하는 전도선을 포함하는 태양전지 모듈.
- 제 1 항에 있어서,상기 전도선은, 전도성 탄소, 구리, 텅스텐, 백금 및 은으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
- 제 1 항에 있어서,상기 결합/밀폐 수단에 의해 형성된 밀폐영역 내에 채워진 전해질과, 상기 전해질의 투입을 위해 상기 제1기판 또는 상기 제2기판에 형성된 구멍을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
- 제 3 항에 있어서,상기 결합/밀폐 수단은 30㎛ 내지 50㎛의 두께와 1㎜ 내지 4㎜의 폭을 갖는 열가소성 고분자 필름인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1투명전극과 상기 제2투명전극은, 각각 SnO2또는 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1전극 및 상기 제2전극은 각각 음전극과 양전극이며,상기 음전극은 산화티타늄막으로 이루어지고, 상기 양전극은 백금막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
- 제 3 항에 있어서,상기 전해질은,0.8 M의 1,2-디메틸-3-옥틸 이미다조리움 아이오다이드(1,2-dimethyl-3-octyl imidazolium iodide)와 40 mM의 I2(Iodine)를 3-메톡시프로피오니트릴(3-Methoxypropionitile)에 용해시킨 I3 -/I-의 전해질 용액 또는 0.8M LiI와 40 mM의 I2와 0.2M의 TBP(4-tert-butylpyridine)을 아세토니트릴에 용해시킨 요오드계 산화-환원 전해질 용액인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
- 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서,단일의 제1기판 상에 전기적으로 분리되며, 제1극성을 갖는 복수의 제1투명전극을 형성하는 단계;상기 각 제1투명전극 상에 복수의 제1전극을 패터닝하여 형성하는 단계;하나의 태양전지 당 기설정된 개수의 관통된 소정 크기의 구멍을 갖는 단일의 제2기판 상에 전기적으로 분리되어 배치되며, 제2극성-상기 제2극성은 상기 제1극성의 상보적인 극성임-을 갖는 복수의 제2투명전극을 형성하는 단계;상기 각 제2투명전극 상에 복수의 제2전극을 패터닝하여 형성하는 단계;상기 제2투명전극의 일측에 전도선을 형성하는 단계;상기 제1투명전극과 상기 제2투명전극이 서로 엇갈리며, 상기 복수의 제1전극과 상기 제2전극이 각각 서로 대응 및 대향되도록 상기 제1투명전극과 상기 제2투명전극 사이에 결합/밀폐 수단을 넣고 접촉시키는 단계;가열 압착 공정을 실시하여 상기 결합/밀폐수단에 의해 상기 제1투명전극과 상기 제2투명전극이 서로 결합되어 상기 제1전극과 상기 제2전극이 오버랩되는 영역을 밀폐시키며, 상기 전도선을 통해 상기 제1투명전극과 상기 제2투명전극을 연결시키는 단계; 및상기 구멍을 통하여 상기 결합/밀폐 수단 사이의 밀폐영역에 전해질을 주입하는 단계를 포함하는 태양전지 모듈 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 제1전극은 음전극이며, 상기 제2전극은 양전극인 것을 특징으로 하는태양전지 모듈.
- 제 9 항에 있어서,상기 제1전극을 형성하는 단계는,상기 제1투명전극 상에 산화티타늄 슬러리를 코팅하는 단계;450℃ 내지 550℃의 온도 범위에서 열처리하는 단계; 및Ru염료 용액에 함침하여 Ru염료가 흡착된 산화티타늄 제1전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 제조방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 산화티타늄 슬러리는,티타늄 아이소프로포사이드와 아세트산을 220℃의 오토클레이브에서 합성하여 산화티타늄 콜로이드를 형성한 후, 상기 산화티타늄 콜로이드를 건조시켜 산화티타늄의 함량이 10 내지 15%가 되도록 하며, 상기 산화티타늄 콜로이드에 폴리에틸렌 옥사이드 또는 폴리에틸렌 글리콜 중 적어도 어느 하나가 산화티타늄 함량의 20중량%가 되도록 첨가된 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 전도선은, 전도성 탄소, 구리, 텅스텐, 백금 및 은으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 결합/밀폐 수단은,열가소성 고분자 필름을 사용하여 30㎛ 내지 50㎛의 두께와 1㎜ 내지 4㎜의 폭으로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 전해질을 주입하는 단계에서,0.8 M의 1,2-디메틸-3-옥틸 이미다조리움 아이오다이드(1,2-dimethyl-3-octyl imidazolium iodide)와 40 mM의 I2(Iodine)를 3-메톡시프로피오니트릴(3-Methoxypropionitile)에 용해시킨 I3 -/I-의 전해질용액을 주입하거나,0.8M LiI와 40 mM의 I2와 0.2M의 TBP(4-tert-butylpyridine)을 아세토니트릴에 용해시킨 전해질 용액을 주입하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 제조방법.
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