KR101137378B1

KR101137378B1 - 염료감응 태양전지

Info

Publication number: KR101137378B1
Application number: KR1020100069175A
Authority: KR
Inventors: 김현철; 박정태; 이종기; 양남철
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2012-04-20
Anticipated expiration: 2030-07-16
Also published as: CN102339672A; JP5398781B2; EP2407985A3; EP2407985A2; US20120012149A1; KR20120008362A; JP2012023023A

Abstract

본 발명은 서로 대향된 제1 기판 및 제2 기판; 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배열되는 복수 개의 단위 셀을 구비하며, 상기 복수 개의 단위셀 각각은, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 내측 표면에 각각 배치된 제1 및 제2 도전성 투명전극; 상기 제1 상기 도전성 투명전극 상에 배치되며 염료가 흡착된 산화물 반도체층을 구비하는 제1 전극; 상기 제2 상기 도전성 투명전극 상에 배치되며 상기 제1 전극과 대향된 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 전해질을 구비하며, 상기 제2 전극은 개구부가 형성된 염료감응 태양전지를 제공한다.

Description

염료감응 태양전지{Dye-sensitized solar cell}

본 발명은 태양전지에 관한 것으로서 보다 구체적으로는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.

최근 화석연료를 대체하는 에너지의 원천으로서, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환소자에 대해 다양한 연구가 진행되고 있으며, 태양광을 이용하는 태양전지가 많은 주목을 받고 있다.

다양한 구동 원리를 갖는 태양전지들에 대한 연구가 진행되고 있는데, 그 중에서 반도체의 p-n접합을 이용하는 웨이퍼 형태의 실리콘 또는 결정질 태양전지가 가장 많이 보급되고 있으나, 고순도의 반도체 재료를 형성 및 취급한다는 공정의 특성상 제조단가가 높다는 문제가 있다.

실리콘 태양전지와 달리, 염료감응 태양전지는 가시광선의 파장을 갖는 빛이 입사하면 이를 받아 여기 전자를 생성할 수 있는 감광성 염료와, 여기된 전자를 받아들일 수 있는 반도체 물질 및 외부 회로에서 일을 하고 돌아오는 전자와 반응하는 전해질을 주된 구성으로 하고, 종래 태양전지에 비해 비약적으로 높은 광전변환 효율을 갖고 있어 차세대 태양전지로 기대되고 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극의 개구율을 향상시켜 광이용률 및 단락전류(short circuit current)를 증대시키는 염료감응 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 서로 대향된 제1 기판 및 제2 기판; 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배열되는 복수 개의 단위 셀을 구비하며, 상기 복수 개의 단위셀 각각은, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 내측 표면에 각각 배치된 제1 및 제2 도전성 투명전극; 상기 제1 상기 도전성 투명전극 상에 배치되며 염료가 흡착된 산화물 반도체층을 구비하는 제1 전극; 상기 제2 상기 도전성 투명전극 상에 배치되며 상기 제1 전극과 대향된 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 전해질을 구비하며, 상기 제2 전극은 개구부가 형성된 염료감응 태양전지를 개시한다.

상기 개구부의 개구율은 0보다 크고 50%와 같거나 또는 0보다 크고 50%보다 작을 수 있다.

상기 제2 전극의 폭은 0보다 크고 500㎛와 같거나 또는 0보다 크고 500㎛보다 작을 수 있다.

상기 복수 개의 단위셀은 서로 직렬로 연결되며 인접한 상기 단위셀은 밀봉재로 구획될 수 있다.

상기 제1 기판에 대하여 상기 복수 개의 단위셀의 제1 극성과 제2 극성은 교대로 배열될 수 있다.

상기 제1 도전성 투명전극과 인접하여 배치된 상기 제2 도전성 투명전극을 연결하는 연결전극을 더 구비할 수 있다.

상기 밀봉재는 상기 연결전극부터 상기 밀봉재에 대향되어 배치된 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판까지 연장될 수 있다.

상기 밀봉재는 절연재를 구비할 수 있다.

상기 제1 기판에 대하여 상기 복수 개의 단위셀은 극성이 동일한 방향을 향하도록 배열되어 배치되며, 상기 제1 도전성 투명전극과 인접한 상기 제2 도전성 투명전극을 전기적으로 연결하는 연결전극을 더 구비할 수 있다.

상기 연결전극을 덮는 절연재를 더 구비할 수 있다.

상기 밀봉재는 상기 연결전극을 덮도록 배치될 수 있다.

여기서, 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판의 외측 표면에 상기 제2 전극에 대응하는 자외선 차단막이 더 배치될 수 있다.

여기서, 상기 자외선 차단막은 투명한 재질을 구비할 수 있다.

여기서, 상기 제2 전극은 탄소나노튜브층을 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극을 패턴 구조화하여 개구율을 향상시켜 광 이용률을 증대시키는 효과가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극을 패턴 구조화하여 후면 효율이 향상된다는 효과가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극을 패턴 구조화하여 후면 단락 전류가 증대된다는 효과가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광이용률이 증대되어 염료감응 태양전지가 창틀과 같은 구조물에 설치되는 BIPV(Building Integrated Photovoltaic)의 용도로 활용되거나 양방향 수광형으로 적용시에 유리하다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 개략적 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II를 따라 취한 염료감응 태양전지의 개략적 부분 단면도이다.
도 3은 도 2의 실시예의 제2 전극을 위에서 내려다본 평면도이다.
도 4는 격자형 개구부가 형성된 제2 전극을 위에서 내려다본 평면도이다.
도 5는 빛의 파장(nm)에 따른 제2 전극의 광투과율을 도시한 도표이다.
도 6은 도 2의 실시예의 제1 변형예에 따른 개략적 부분 단면도이다.
도 7는 도 2의 실시예의 제2 변형예에 따른 개략적 부분 단면도이다.
도 8는 도 2의 실시예의 제3 변형예에 따른 개략적 부분 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 다른 염료감응 태양전지의 개략적 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면에 도시된 실시 예들을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 2를 참조하여 염료감응 태양전지(100)에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)의 개략적 분해 사시도이다. 도 2는 도 1의 II-II를 따라 취한 염료감응 태양전지(100)의 개략적 부분 단면도이다. 도 3은 도 2의 실시예의 제2 전극(122A)을 위에서 내려다본 평면도이다.

여기서, 염료감응 태양전지(100)는 제1 기판(110), 제2 기판(120), 밀봉재(130) 및 복수 개의 단위셀(100A, 100B, 100C)들을 구비한다. 이하, 복수 개의 단위셀(100A, 100B, 100C)은 설명의 편의를 위하여 제1 단위셀(100A) 및 그와 인접하여 배치된 제2 단위셀(100B)을 예를 들어 설명하지만 단위셀(100A, 100B, 100C)의 개수와 구조적 배치는 이에 제한되지 않음은 물론이다.

도 2에서, 제1 기판(110) 및 제 2 기판(120)은 서로 마주보며 배치되며 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이에 복수 개의 단위셀(100A, 100B)이 배치될 수 있다. 이때, 제1 및 2 단위셀(100A, 100B)은 각각 밀봉재(130)에 의해 구획될 수 있다. 도 1을 참조하면, 제1 기판(110)과 제2 기판(120)은 대략 사각 장방형으로 형성될 수 있으나, 제1 기판(110) 및 제2 기판(120)의 형상이 이에 제한되지는 않는다. 제1 기판(110)은 제2 기판(120)의 제1 측에 배치될 수 있다.

또한, 도 2를 참조하면, 발광원(L)의 이동 등에 의해 제1 기판(110) 및 제2 기판(120)은 번갈아 가며 빛(VL)을 수광 할 수 있다. 제2 기판(120)은 제1 기판(110)과 동일한 소재로 이루어질 수 있다.

제1 기판(110) 또는 제2 기판(120)은 높은 광투과율을 갖는 소재, 예컨대, 투명소재로 형성될 수 있다. 즉, 제1 기판(110) 또는 제2 기판(120)은, 예컨대, 유리소재의 글라스 기판 또는 수지필름 등으로 형성될 수 있다. 수지필름은 가요성을 갖기 때문에 특히 유연성이 요구될 때에 유용하다.

제1 및 2 단위셀(100A, 100B)은 각각 광전변환을 수행하기 위한 기능층(11A, 11B, 12A, 12B) 및 전해질(140)을 구비할 수 있다.

예를 들어, 제1 단위셀(100A)은 제1 기능층(11A) 및 제2 기능층(12A)을 구비할 수 있다. 여기서, 제1 기능층(11A)은 제1 도전성 투명전극(111A) 및 제1 전극(112A)을 구비할 수 있다. 또한, 제2 기능층(12A)은 제2 도전성 투명전극(121A) 및 제2 전극(122A)를 구비할 수 있다. 제2 단위셀(100B)은 제1 단위셀(100A)에 인접하여 배치될 수 있다.

제1 전극(112A)은 빛(VL)에 의해 여기되는 감광성 염료를 흡착한 산화물 반도체층(미도시)을 구비할 수 있다. 제1 도전성 투명전극(111A)은 염료감응 태양전지(100)의 음극으로 기능하며, 광전 변환 작용에 따라 생성된 전자들을 수취하여 전류 패스를 제공할 수 있다. 제1 도전성 투명전극(111A)을 통해 입사된 빛(VL)은 산화물 반도체층에 흡착된 감광성 염료의 여기원으로 작용한다. 제1 도전성 투명전극(111A)은 전기 전도성과 함께 광투과성을 갖춘 ITO(tin-doped indium oxide), FTO(fluorine-doped tin oxide), ATO(antimony-doped tin oxide) 등 TCO(Transparent Conducting Oxide)로 형성될 수 있다. 제1 도전성 투명전극(111A)은 전기 전도성이 우수한 금(Ag), 은(Au), 알루미늄(Al) 등의 금속전극을 더 포함할 수 있다. 이와 같은 금속전극은 제1 도전성 투명전극(111A)의 전기저항을 낮추기 위한 것으로, 스트라이프 패턴 혹은 매쉬 패턴으로 형성 가능하다.

제1 전극(112A)은 산화물 반도체층을 구비할 수 있다. 여기서, 산화물 반도체층은 염료감응 태양전지(100)로 사용되던 반도체 소재를 이용하여 형성 가능하며 또한 금속 산화물로 형성될 수도 있다. 금속 산화물은 Cd, Zn, In, Pb, Mo, W, Sb, Ti, Ag, Mn, Sn, Zr, Sr, Ga, Si, Cr 등이 이용될 수 있다. 산화물 반도체층은 감광성 염료를 흡착함으로써 광전 변환 효율을 증가시킬 수 있다. 예컨대, 5 nm 내지 1000 nm 입경의 반도체 입자를 분사시킨 페이스트를 전극이 형성된 제1 기판(110)에 도포한 후, 소정의 열 혹은 압력을 적용하여 형성할 수 있다.

산화물 반도체층에 흡착된 감광성 염료는 제1 기판(110) 또는 제2 기판(120)을 투과하여 입사된 빛(VL)을 흡수하고, 감광성 염료의 전자는 기저 상태로부터 여기 상태로 여기된다. 여기된 전자는 감광성 염료와 산화물 반도체층 사이의 전기적 결합을 통해 산화물 반도체층의 전도대로 전이되고, 전이된 이후에는 산화물 반도체층을 통과하여 제1 도전성 투명전극(111A)에 도달하며, 제1 도전성 투명전극(111A)을 통해 외부로 인출됨으로써 외부 회로를 구동하는 구동 전류를 형성한다.

감광성 염료는 가시광 대역에서 흡수를 보이고, 광 여기 상태로부터 신속하게 제1 전극(112A)으로 전자를 이동시키는 분자로 구성이 가능하다. 감광성 염료는 액상, 반고체의 겔 형상, 고체 형태 중 어느 하나일 수 있다. 예컨대, 감광성 염료로는 루테늄 계의 감광성 염료가 사용될 수 있다.

제1 및 2 단위셀(100A, 100B)에 충진되는 전해질(140)로는 한 쌍의 산화체와 환원체를 포함하는 레독스(Redox) 전해질이 적용될 수 있다. 전해질(140)은 고체상 전해질, 겔상 전해질, 액체상의 전해질 등이 모두 사용 가능하다.

여기서, 제2 기능층(12A)은 제2 도전성 투명전극(121A) 및 제2 전극(122A)을 구비한다. 제2 도전성 투명전극(121A)은 염료감응 태양전지(100)의 양극으로 기능한다. 제1 전극(112A)에 흡착된 감광성 염료는 빛(VL)을 흡수하여 여기되고, 여기된 전자는 제1 도전성 투명전극(111A)을 통해 외부로 인출된다. 한편, 전자를 잃은 감광성 염료는 전해질(140)의 산화에 의해 제공되는 전자를 수취하여 다시 환원된다. 산화된 전해질(140)은 외부회로를 거쳐 제2 도전성 투명전극(121A)에 도달한 전자에 의해 환원되어 광전 변환의 동작이 완성된다.

제2 도전성 투명전극(121A)도 제1 도전성 투명전극(111A)과 마찬가지로 전기 전도성과 함께 광투과성을 갖춘 TCO(Transparent Conducting Oxide)로 형성할 수 있다. 또한, 제2 도전성 투명전극(121A)은 전기 전도성이 우수한 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al)과 같은 금속 전극을 더 포함할 수 있음은 물론이다.

제2 도전성 투명전극(121A)상에는 제2 전극(122A)이 형성될 수 있다. 제2 전극(122A)은 전자를 제공하는 환원촉매기능을 갖는 소재로 형성될 수 있다. 제2 전극(122A)으로는, 예컨대, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 등의 금속이나 산화주석과 같은 금속 산화물 혹은 그라파이트(graphite) 등의 카본계 물질로 형성할 수 있다. 또는, 제2 전극(122A)은 탄소나노튜브층으로 형성될 수 있다.

염료감응 태양전지(100)의 양방향을 이용하려고 하는 경우, 제2 전극(122A)을 막힌 막형태로 형성될 경우, 발광원(L)의 위치가 예를 들어 도 2에서 제2 기판(120) 쪽으로 이동하면 입사되는 빛(VL)의 감소로 염료감응 태양전지(100)의 효율이 떨어지는 현상이 발생할 수 있다. 즉, 태양 등의 일주운동으로 염료감응 태양전지(100)에 대한 태양의 위치가 바뀌거나, 염료감응 태양전지(100)를 반대로 뒤집는 경우, 염료감응 태양전지(100)내로 입사되는 광량의 감소가 발생한다는 문제점이 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 제2 전극(122A)은 제1 선폭(w₁)을 가지며 연장되는 스트라이트 형상의 패턴(122A1)을 구비할 수 있다. 이들 패턴(122A1) 사이에는 개구부(O)가 형성된다. 제1 선폭(w₁)의 크기 및 개구부(O)의 크기는 광투과율 및 변환효율에 영향을 미친다.

제2 전극(122A)에 형성된 개구부(O)를 통해 빛(VL)이 투과되도록 할 수 있다. 이와 같이 구성함으로써, 발광원(L)이 제1 단위셀(100A)에 대해 제2 기판(120)측으로 이동한 경우에도 개구부(O)를 통해 제1 단위셀(100A)내부로 유입되는 광입사량을 높일 수 있다.

이와 같은 제2 전극(122A)의 제1 선폭(w₁) 및 개구부(O)의 개구율(%)의 변화에 따른 염료감응 태양전지(100)의 광투과율 및 변환효율의 변화를 표 1을 참조하여 설명한다. 여기서, 개구율(%)이란 제2 전극(122A)의 전체크기에 대한 개구부(O)의 크기 비율이다. 표 1에서, 비교예는 제2 전극(122A)에 패턴이 형성되지 않아 개구율이 0%로 형성된 전면막이며, 실시예 1 내지 실시예 5는 도 3의 제2 전극(122A)의 제1 선폭(w₁) 및 개구율을 다양하게 변화시킨 실시예들이다. 실시예 6은 도 4의 제2 전극(123A)으로서, 제2 선폭(w₂)이 1mm이며 개구율이 50%가 되도록 격자형 개구부가 형성된 것이다.

	비교예	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6
개구율(%)	0	50	60	70	50	50	50
제1선폭(mm)	-	0.5	0.5	0.5	1	2	격자형 (1mm)

도 5는 비교예 및 실시예 1 내지 6의 빛의 파장(nm)에 따른 제2 전극(122A)의 광투과율을 도시한 도표이다. 도 5는 또한 실시예 1 내지 6의 투과율과 비교를 위하여 빛의 파장에 따른 FTO 투명전극의 투과율을 도시하고 있다. 여기서, FTO 투명전극은 패턴이 형성되지 않은 장방형의 전극이다.

도 5를 참조하면, 비교예에 비하여 패턴(122A)이 형성된 실시예 1 내지 실시예 6이 전체 파장대에 있어서 높은 투과율을 나타낸다. 또한, 실시예 1 내지 실시예 6 중에서 개구율이 70%인 실시예 3이 가장 높은 투과율을 보이고 있다. 이는 투과율과 개구율이 상관관계가 있음을 보여준다. 이에 따라 높은 광투과율을 얻기 위하여는 개구율을 높일 수 있음을 알 수 있다. 그러나 개구율이 높아질 경우 제2 전극(122A)의 패턴(122A1) 간의 간격이 넓어지며 이에 따른 산화된 전해액 이온들의 농도 구배가 커져 전체 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 따라서 광투과율과 변환효율을 적정수준대로 유지하기 위해서는 개구율 뿐만 아니라 제2 전극(122A)의 제1 선폭(w₁)의 범위를 고려할 수 있다.

표 2는 제2 전극(122A)의 역할인 전해질(140)의 환원 역할을 수행하는 정도를 나타내고 있다. 이 경우에는, 전면 및 후면에 마스크를 적용(W/ M)하여 유효영역에 대해서만 빛을 조사하였다. 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 전면 및 후면의 효율을 고려했을 때, 실시예 1 내지 실시예 6 중에서 실시예 1이 가장 좋은 효율을 보이고 있다.

구분	전면/후면 구분	TiO2종류	TiO2두께	효율(%)	Voc. (V)	Jsc. (mA/cm²)	FF
실시예 1	전면(W/ M)	ENB	25.5㎛	6.1	0.739	12.95	64.8
실시예 1	후면(W/ M)			4.5	0.738	8.78	64.9
실시예 2	전면(W/ M)			3.5	0.727	8.19	58.6
실시예 2	후면(W/ M)			2.9	0.731	6.93	57.0
실시예 3	전면(W/ M)			2.8	0.739	6.3	60.0
실시예 3	후면(W/ M)			2.3	0.743	5.3	57.7
실시예 4	전면(W/ M)			4.6	0.732	10.3	61.4
실시예 4	후면(W/ M)			3.6	0.735	8.2	60.6
실시예 5	전면(W/ M)			3.8	0.737	9.5	53.8
실시예 5	후면(W/ M)			3.0	0.745	7.6	53.4
실시예 6	전면(W/ M)			6.1	0.734	12.6	66.0
실시예 6	후면(W/ M)			3.9	0.733	7.4	71.7
비교예	전면(W/ M)			6.4	0.737	12.45	69.7
비교예	후면(W/ M)			4.1	0.736	7.55	74.3

여기서, 효율(%)은 수학식 1에 의해 구할 수 있다. 이때, 효율은 온도, 복사 강도, 분광복사조도에 따라 영향을 받을 수 있다. 상기 실험값은 복사강도(radiant intensity)가 1000W/m² 이며 분광복사조도(Spectral irradiance distribution)가 AM 1.5 global(ASTM G173)이며 온도(cell temperature)가 25˚c일 때 측정된 값이다. 여기서,

는 입사 복사강도를,

는 필팩터(fill factor)를,

는 단락전류강도(short circuit current density)를,

는 개회로 전압(open circuit voltage)을 의미한다.

도 5 및 표 2의 결과를 종합해보면 개구율이 50%를 넘지 않으며 선폭이 0.5mm를 넘지 않을 때 단락 전류 및 변환효율이 높게 나옴을 알 수 있다. 그 이유를 살펴보면, 비록 도 5에서 개구율이 높은 실시예들이 높은 광투과율을 보이고 있지만, 개구율이 높을수록 패턴 (122A1)간의 간격이 넓어져 환원반응을 하는 전해질 이온들의 농도구배의 차이가 발생함을 알 수 있다. 즉, 패턴 (122A1)사이의 간격이 넓어질수록 전해액 이온의 농도 구배 차가 크게 형성된다. 이는 전해질(140) 내에 산화된 이온을 증대시켜 전지의 순환 작동 시스템의 가동을 점점 감소시킬 수 있다. 따라서, 광투과율이 높아진다는 이유만으로 패턴(122A1)간의 간격을 넓힐 수는 없다. 표 2를 참조하면, 실시예 1(개구율 50%)의 변환 효율이 가장 높고 그 후 차례로 실시예 2(개구율 60%) 및 실시예 3(개구율 70%)이 낮은 효율을 보이고 있으므로 개구율은 50% 이하로 조절할 수 있다.

또한, 개구율이 같은 50%인 경우에도 제1 실시예와 제5 실시예의 효율을 비교하면, 제1 실시예의 효율이 더 높은 것을 알 수 있다. 즉, 같은 개구율을 유지하는 경우에도 제1 선폭(w₁)이 넓을 경우 패턴(122A1)사이의 간격이 넓어져 전해액 이온의 농도 구배차가 크게 되어 효율이 감소됨을 알 수 있다. 따라서, 제1 선폭(w₁)을 소정 범위 이하로 하여 전해액 이온의 농도 구배 차를 줄일 수 있다.

실시예 1(폭 0.5mm)의 변환효율이 실시예 4(폭 1mm) 및 실시예 5(폭 2mm)의 변환효율에 비해 높으며 실시예 4가 실시예 5보다 변환효율이 높으므로 제2 전극(122A)의 제1 선폭(w₁)은 적어도 0.5mm보다 작을 수 있다.

제2 전극(122A)에 개구부(O)가 형성될 경우 제2 전극(122A)의 유효면적이 감소하게 된다. 따라서, 개구부(O)가 형성되지 않은 비교예와 비교하여, 개구부(O)가 형성된 제2 전극(122A)을 구비한 제1 실시예 내지 제6 실시예의 전면부 효율은 감소할 수 있다. 그러나, 제2 전극(122A)의 개구부(O)로 인하여 제1 실시예 내지 제6 실시예의 후면부 효율은 비교예보다 높아질 수 있는데, 표 2를 참조하면 제1 선폭(w₁)의 범위가 0.5mm인 실시예 1에서 후면효율이 비교예의 후면효율보다 높아짐을 알 수 있다. 따라서, 제1 선폭(w₁)이 0.5mm와 같거나 작으며 개구율이 50% 이하인 경우 효율이 높게 나타남을 알 수 있다.

이때, 실시예 1 및 비교예를 비교하면 전면 효율은 실시예 1(6.1%)이 비교예(6.4%)보다 낮은 반면, 후면 효율은 실시예 1(4.5%)가 비교예(4.1%)보다 높음을 알 수 있다. 또한, 후면 단락전류가 비교예에 비하여 실시예 1에서 약 14%가량 상승됨을 알 수 있다. 이와 같이 제2 전극(122A)에 개구부(O)를 형성하되 제1 선폭(w₁)과 개구율을 소정 범위로 형성하여, 실시예 1의 전면 효율이 패턴을 형성하지 않은 비교예와 유사하게 유지하면서도 후면 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 양방향으로 빛이 입사하는 염료감응 태양전지(100)가 패턴이 형성된 제2 전극(122A)을 구비함으로 후면 효율을 증가시킬 수 있다는 장점이 있다. 즉, 예를 들어 W자형 구조의 염료감응 태양전지 (100)에 적용될 수 있다.

도 2를 참조하면, 염료감응 태양전지(100)는 복수 개의 단위셀(100A, 100B)을 구비한다. 이때, 인접한 단위셀(100A, 100B)은 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다. 직렬로 연결될 경우, 예를 들어 제1 기판(110)에 대하여 복수 개의 단위 셀(100A, 100B)의 제1 극성과 제2 극성이 교대로 배열되도록 배치될 수 있다. 즉, 도 2에서 제1 단위셀(100A)의 음극(-)이 제1 기판(110)을 향하도록 배치될 경우, 제2 단위셀(100B)의 양극(+)이 제1 기판(110)을 향하도록 배치될 수 있다. 이때, 예를 들어, 제1 기판(110)에 대하여 인접하여 배치된 제1 단위 셀(100A)의 제1 도전성 투명전극(111A) 및 제2 단위셀(100B)의 제2 도전성 투명전극(121B)은 전기적으로 연결될 수 있다. 도 2에서 설명의 편의를 위해 도면부호 111A 및 121B를 별도로 표기하였으나 일체로 형성될 수 있음은 물론이다. 이때, 제1 단위셀(100A)의 양극(+)과 제2 단위셀(100B)의 음극(-)은 밀봉재(130)에 의해 구분될 수 있다. 이때, 제1 기판(110) 또는 제2 기판(120) 상에서 번갈아 가며 복수 개의 단위셀(100A, 100B)이 전기적으로 연결되어 직렬연결을 형성할 수 있다. 즉, 도 2에서 제2 단위셀(100B)의 음극(-)은 그와 인접한 제3 단위셀(100C)의 양극(+)과 제2 기판(120)에 대하여 서로 연결될 수 있다. 즉, 제2 단위셀(100B)의 음극(-)에 배치된 제1 도전성 투명전극(111B)은 제3 단위셀(100C)의 양극(+)에 배치된 제2 도전성 투명전극(121C)와 전기적으로 연결되어 일체를 형성할 수 있다.

이와 같은 W자형 염료감응 태양전지(100)는 빛(VL)이 염료감응 태양전지(100)의 양 방향에서 모두 입사되므로 전면 효율뿐만 아니라 후면 효율이 중요성을 가지게 된다. 따라서, 도 5 내지 표 2의 결과에 따른 개구율이 50%를 넘지 않으며 선폭이 0.5mm를 넘지 않는 패턴이 형성된 제2 전극(122A)을 구비한 복수 개의 단위셀(100A)을 구비한 W자형 염료감응 태양전지모듈에 있어서, 광투과율이 높으며 후면 효율이 높으므로 유리하다는 효과가 있다.

도 6 내지 도 8은 도 2의 실시예의 변형예이다. 도 6을 참조하면, 인접하여 배치된 제1 단위셀(100A)과 제2 단위셀(100B)은 밀봉재(130)에 의해 구획되며 밀봉재(130) 내부에 절연재(160)를 배치할 수 있다. 또한, 인접하여 배치된 도전성 투명전극(111A, 121B)은 연결전극(150)에 의해 연결될 수도 있다. 제1 단위셀(100A)의 제1 도전성 투명전극(111A)은 인접하여 배치된 제2 단위셀(100B)의 제2 도전성 투명전극(121B)과 전기적으로 연결될 수 있으며 이와 같은 방법으로 제1 기판(110) 또는 제2 기판(120) 상에서 번갈아 가며 연결전극(150)으로 연결될 수 있다. 여기서, 연결전극(150)은 예를 들어, 도전성이 우수한 금속소재, 예컨대 도전성 페이스트를 충진시켜 사용할 수 있다.

도 7을 참조하면, 제1 기판(110) 또는 제2 기판(120)의 외측 표면에 제2 전극(122A, 122B, 122C)에 대응하여 자외선 차단막(170)이 형성될 수 있다. 예를 들어 제2 전극(122A, 122B, 122C)이 먼저 빛(VL)을 받을 경우, 자외선에 의한 염료 및 전해질(140)의 손상이 발생할 수 있다. 제1 전극(112A, 112B, 112C)측으로 입사한 자외선은 제1 전극(112A, 112B, 112C)에 흡수되어 염료와 전해질(140)에 손상을 주지 않으나 제2 전극(122A, 122B, 122C)은 자외선의 흡수가 약할 뿐만 아니라 개구부(O)를 구비하고 있어 자외선 차단율이 낮게 된다. 여기서 투명한 재료로 형성된 자외선 차단막(170)은 제2 전극(122A, 122B, 122C)에 대응하여 형성되거나 또는 제1 기판(110)이나 제2 기판(120) 전체에 대응하여 형성될 수도 있다.

도 8은 도 2의 실시예의 제3 변형예에 따른 개략적 부분 단면도이다. 도 8의 실시예에 따르면 염료감응 태양전지(200)는 Z자형 모듈의 구조를 가질 수 있다. 즉, 복수개의 단위셀(200A, 200B, 200C)은 같은 극성이 제1 기판(210) 또는 제2 기판(220)을 향하도록 배치될 수 있다. 이때, 서로 대향되어 배치된 각 단위셀(200A, 200B, 200C)의 서로 다른 극성은 연결전극(250)에 의해 연결되어 직렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 단위셀(200A)의 제1 도전성 투명전극(211A)과 대향되어 배치된 인접한 제2 단위셀(200B)의 제2 도전성 투명전극(221B)을 전기적으로 연결하는 연결전극(250)을 구비할 수 있다. 여기서, 밀봉재(230)는 연결전극(250)을 덮도록 배치될 수 있다. 도 8에는 도시되어 있지 않지만, 상기 밀봉재(230)는 다시 밀봉재(미도시)에 의해 덮일 수 있다. 이때, 물론 밀봉재(230)와 밀봉재를 일체로 형성할 수 있음도 물론이다. 이때, 이와 같은 Z자형 모듈의 구조는 예를 들어 창틀과 같은 구조물에 설치되는 BIPV(Building Integrated Photovoltaic)의 용도로 사용될 수 있다. 이때, Z자형 모듈의 구조를 가진 염료감응 태양전지(200)는 예를 들어 양방향에서 빛이 입사되는 제품이 아니라 일방향에서 빛이 입사되는 제품에도 사용될 수 있다. 이 경우, 제2 전극(222A, 222B, 222C)에 패턴이 형성되어 투명도 및 시인성이 높아지는 효과가 있다. 즉, 예를 들어, 창문에 Z자형 모듈 구조의 염료감응 태양전지(200)를 사용하는 경우, 태양광이 창문의 일 측에서만 입사되고 타 측에서는 입사되지 않으므로 후면 효율이 높을 필요성이 낮아지지만, 제2 전극(222A, 222B, 222C)에 형성된 패턴의 개구부로 인해 창문의 투명도가 더 높아지며 사용자에게 시안성이 높아지게 된다.

도 2, 도 6, 도 7 및 도 8에서 염료감응 태양전지(100, 101, 102, 200)가 단위셀(100A, 100B, 100C, 200A, 200B, 200C)를 구비한 모듈로 설명하였으나 이에 제한되지 않음은 물론이다. 예를 들어, 도 9에 따르면, 염료감응 태양전지(300)는 제1 기판(310) 및 제2 기판(320) 사이에 도전성 투명전극(311, 321)을 구비하며, 도전성 투명전극(311, 321) 상에 각각 제1 전극(312) 및 제2 전극(322)이 배치될 수 있다. 또한, 전해질(340)을 밀봉하도록 밀봉재(330)가 배치될 수 있다. 이때, 제2 전극(322)은 개구부를 가지도록 패턴을 형성할 수 있다. 따라서, 양방향 사용 가능한 제품에 적용가능하며 또한, 일방향 빛이 입사되는 제품의 경우에도 투명도와 시안성이 높아진다는 효과가 있다. 도 8 또는 도 9의 실시예에 있어서, 자외선 차단막을 별도로 도시하지 않았으나 제2 전극(222A, 222B, 222C, 322)에 대응하여 자외선 차단막이 형성될 수 있음은 물론이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

본 발명은 태양전지를 이용 및 제조하는 산업에 이용될 수 있다.

11A, 11B: 제1 기능층
12A, 12B: 제2 기능층
100, 101, 102, 200, 300: 염료감응 태양전지
100A, 200A: 제1 단위셀
100B, 200B: 제2 단위셀
100C, 200C: 제3 단위셀
110, 210, 310: 제1 기판
111A, 111B, 111C, 211A, 211B, 211C, 311: 제1 도전성 투명전극
112A, 112B, 112C: 제1 전극
120, 220, 320: 제2 기판
122A, 122B, 122C: 제2 전극
121A, 121B, 121C, 221A, 221B, 221C, 321: 제2 도전성 투명전극
130, 230, 330: 밀봉재
140, 240, 340: 전해질
150, 250: 연결전극
160: 절연재
170: 자외선 차단막
VL: 빛

Claims

서로 대향된 제1 기판 및 제2 기판; 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배열되는 복수 개의 단위 셀을 구비하며,
상기 복수 개의 단위셀 각각은,
상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 내측 표면에 각각 배치된 제1 및 제2 도전성 투명전극;
상기 제1 상기 도전성 투명전극 상에 배치되며 염료가 흡착된 산화물 반도체층을 구비하는 제1 전극;
상기 제2 상기 도전성 투명전극 상에 배치되며 상기 제1 전극과 대향된 제2 전극; 및
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 전해질을 구비하며, 상기 제2 전극은 개구부가 형성된 염료감응 태양전지.
제1 항에 있어서,
상기 개구부의 개구율은 0보다 크고 50%와 같거나 또는 0보다 크고 50%보다 작은 염료감응 태양전지.
제1 항에 있어서,
상기 제2 전극의 폭은 0보다 크고 500㎛와 같거나 또는 0보다 크고 500㎛보다 작은 염료감응 태양전지.
제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수 개의 단위셀은 서로 직렬로 연결되며 인접한 상기 단위셀은 밀봉재로 구획되는 염료감응 태양전지.
제4 항에 있어서,
상기 제1 기판에 대하여 상기 복수 개의 단위셀의 제1 극성과 제2 극성은 교대로 배열되는 염료감응 태양전지.
제5 항에 있어서,
상기 제1 도전성 투명전극과 인접하여 배치된 상기 제2 도전성 투명전극을 연결하는 연결전극을 더 구비하는 염료감응 태양전지.
제6 항에 있어서,
상기 밀봉재는 상기 연결전극부터 상기 밀봉재에 대향되어 배치된 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판까지 연장되는 염료감응 태양전지.
제7 항에 있어서,
상기 밀봉재는 절연재를 구비하는 염료감응 태양전지.
제4 항에 있어서,
상기 제1 기판에 대하여 상기 복수 개의 단위셀은 극성이 동일한 방향을 향하도록 배열되어 배치되며, 상기 제1 도전성 투명전극과 인접한 상기 제2 도전성 투명전극을 전기적으로 연결하는 연결전극을 더 구비하는 염료감응 태양전지.
제9 항에 있어서,
상기 연결전극을 덮는 절연재를 더 구비한 염료감응 태양전지.
제9 항에 있어서,
상기 밀봉재는 상기 연결전극을 덮도록 배치된 염료감응 태양전지.
제1 항에 있어서,
상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판의 외측 표면에 상기 제2 전극에 대응하는 자외선 차단막이 더 배치되는 염료감응 태양전지.
제12 항에 있어서,
상기 자외선 차단막은 투명한 재질을 구비하는 염료감응 태양전지.
제1 항에 있어서,
상기 제2 전극은 탄소나노튜브층을 구비한 염료감응 태양전지.