KR101764319B1 - 실리콘 태양전지를 가지는 자가충전형 전기변색소자 - Google Patents
실리콘 태양전지를 가지는 자가충전형 전기변색소자 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색소자는 상대전극을 포함한다. 상대전극은 실리콘 태양전지일 수 있다. 따라서 전기변색소자는 자기발전이 가능할 수 있다. 상대전극은 실리콘 질화막, 실리콘 탄화막, 비정질실리콘막, 다결정실리콘막을 포함할 수 있다. 상기 상대전극은 수소이온 함유량이 높아, 이온저장층의 역할을 동시에 할 수 있다. 상대전극이 실리콘 양자점을 가지는 경우 태양전지로서 에너지효율이 더 증가할 수 있다. 동시에 수소이온의 함유량이 높아져 이온저장효과도 증대될 수 있다. 실리콘 양자점을 가지는 실리콘막은 PECVD법 등에 의하여 저온조건에서 제조 가능하다. 따라서 전기변색소자를 효과적으로 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 전기변색소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지를 가지는 전기변색소자에 관한 것이다.
전기변색 소자(electrochromic device)는 전기화학반응에 의하여 색의 변화를 가져오는 소자이다. 전기변색소자는, 외부의 전기 자극에 의해 전위차가 발생하면, 전해질층에 포함되어 있는 이온이나 전자가 전기변색층 내부로 이동하여 산화·환원반응이 일어난다. 전기변색층의 산화환원반응에 의해, 전기변색소자의 색깔이 변하게 된다. 최근 전기변색소자는 자동차, 건물의 창 및 비행기 등에 적용하여 태양광을 차단하는데 사용되고 있다. 그러나 이를 아직까지 반사형 디스플레이, 특히 대형 옥외 디스플레이에 적용하고 있지 못하고 있다. 또한 전기변색소자는 외부의 전압에 의한 전력공급이 필수적이다
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 실리콘 태양전지를 가지는 자가충전형 전기변색소자에 관한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 실리콘 태양전지를 가지는 자가충전형 전기변색소자에 관한 것이다. 일 실시예에 따르면, 전기변색소자는 서로 이격되어 마주하는 제1 기판 및 제2 기판, 제1 기판과 제2 기판 사이의 전해질층, 제1 기판과 전해질층 사이의 제 1 전극, 제2 기판과 전해질층 사이의 제2 전극, 제1 전극과 전해질층 사이의 전기변색층 및 제2 전극과 전해질층 사이의 상대전극을 포함하고, 상기 상대전극은 실리콘 태양전지일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 실리콘 태양전지는 실리콘 양자점 태양전지일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 실리콘은 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 비정질실리콘 또는 다결정실리콘 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 상대전극은 수소이온을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 상대전극은, 붕소(B), 알루미늄(Al) 또는 갈륨(Ga) 중에서 적어도 하나를 포함하는 제1 도펀트층 및 인(P), 비소(As) 또는 안티모니(Sb) 중에서 적어도 하나를 포함하는 제2 도펀트층을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전기변색소자 제조방법은 제1 기판 및 제2 기판을 제공하고, 제1 기판과 제2 기판 사이에 전해질층을 제공하고, 제1 기판과 전해질층 사이에 제 1 전극을 제공하고, 제2 기판과 전해질층 사이에 제2 전극을 제공하고, 상기 제1 전극과 상기 전해질층 사이에 전기변색층을 제공하고, 그리고 상기 제2 전극과 상기 전해질층 사이에 상대전극을 제공하되, 상기 상대전극은 실리콘 양자점을 포함하는 실리콘 막을 형성하는 것, 실리콘 막 내에 불순물을 도핑시키는 것, 및 불순물이 도핑된 실리콘 막을 열처리하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 실리콘 양자점을 포함하는 실리콘 막을 형성하는 것은 제1 도펀트 실리콘막을 형성하는 것 및 제2 도펀트 실리콘막을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 실리콘 막 내에 상기 불순물을 도핑시키는 것은, 제1 도펀트 실리콘막을 붕소(B), 알루미늄(Al) 또는 갈륨(Ga) 중에서 적어도 하나로 도핑시키고, 제2 도펀트 실리콘막을 인(P), 비소(As) 또는 안티모니(Sb) 중에서 적어도 하나로 도핑시키는 것 일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 실리콘 양자점을 포함하는 실리콘 막을 형성하는 것은, 플라즈마증진화학기상 증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 대기압 화학기상 증착법(APCVD, Atmospheric Pressure CVD), 저압 화학기상 증착법(LPCVD, Low Pressure CVD) 또는 금속 유기물 화학기상 증착법(MOCVD, Metal Organic CVD)에 의하여 1100도 이하에서 수행될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전기변색소자는 제1 기판 상의 제1 전극, 제1 전극 상의 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 상대전극, 상대전극 상의 전해질층, 전해질층 상의 상대전극과 전기적으로 연결된 전기변색층, 전기변색층 상에 제공되고, 상기 제1 전극과 도선으로 연결된 제2 전극, 및 제2 전극 상의 제2 기판을 포함하고, 상기 상대전극은 수소이온이 함유된 실리콘막을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전기변색층은 산화변색물질 또는 환원변색물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 산화변색물질은 바나듐(V) 산화물, 크롬(Cr) 산화물, 망간(Mn) 산화물, 철(Fe) 산화물, 코발트(Co) 산화물, 니켈(Ni) 산화물, 로듐(Rh) 산화물 또는 이리듐(Ir) 산화물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 환원변색물질은 티타늄(Ti) 산화물, 구리(Cu) 산화물, 몰리브덴(Mo) 산화물, 텅스텐(W) 산화물, 나이오븀(Nb) 산화물 또는 탄탈륨(Ta) 산화물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전해질층은 오산화 탄탈럼(Tantalum pentoxide, Ta2O5), 폴리(2-아크릴아미노-2-메틸프로판 술폰산)(poly(2-acrylamino-2-methylpropane sulfonic acid) 또는 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide))중에서 적어도 하나를 포함하는 할 수 있다.
본 발명에 따른 전기변색소자는, 실리콘 태양전지를 상대전극으로서 사용한다. 따라서 전기변색소자는 자기발전이 가능할 수 있다. 실리콘 태양전지는 실리콘 질화막, 실리콘 탄화막, 비정질실리콘막, 다결정실리콘막을 포함할 수 있다. 상기 실리콘 태양전지는 수소이온 함유량이 높아, 이온저장층의 역할을 동시에 할 수 있다. 상대전극이 실리콘 양자점을 가지는 경우 태양전지의 에너지효율이 더 증가할 수 있다. 동시에 수소이온의 함유량이 더 높아져 이온저장효과도 증대될 수 있다. 실리콘 양자점을 가지는 실리콘막은 PECVD법에 의하여 저온조건에서 제조 가능하다. 따라서 전기변색소자의 제조공정측면에서 효과적일 수 있다.
본 발명의 보다 완전한 이해와 도움을 위해, 참조가 아래의 설명에 첨부도면과 함께 주어져 있고 참조번호가 이래에 나타나 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색소자를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상대전극의 제조방법을 나타낸 순서도 이다.
도 3는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기변색소자를 나타낸 단면도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색소자를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상대전극의 제조방법을 나타낸 순서도 이다.
도 3는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기변색소자를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다.
본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시 예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기변색소자를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 전기변색소자(1)는 서로 이격되어 마주하는 제1 기판(10) 및 제2 기판(70), 제1 기판(10)과 제2 기판(70) 사이의 전해질층(40), 제1 기판(10)과 전해질층(40) 사이의 제 1 전극(20), 제2 기판(70)과 전해질층(40) 사이의 제2 전극(60), 제1 전극(20)과 전해질층(40) 사이의 전기변색층(30), 및 제2 전극(60)과 전해질층(40) 사이의 상대전극(50)을 포함한다.
제1 기판(10)이 제공된다. 제1 기판(10)은 투명기판일 수 있다. 예를 들어, 제 1기판(10)은 유리기판, 플라스틱기판, 산화인듐주석(Indium Tin Oxide, ITO)기판, 또는 불소가 도핑된 산화주석(Fluorine containing tin oxide, FTO)기판 일 수 있다.
제1 전극(20)이 제1 기판(10) 상에 제공된다. 제1 전극(20)은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO)일 수 있다. 예를 들면, 제1 전극(20)은 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 산화인듐주석(Indium Tin Oxide, ITO), 갈륨이 도핑된 산화아연(ZnO:Al), 붕소가 도핑된 산화아연(ZnO:B), 또는 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO: Aluminum Zinc Oxide)일 수 있다.
전기변색층(30)이 제1 전극(20) 상에 제공된다. 전기변색층(30)은 전원 인가에 의한 전류의 흐름에 따라 색이 변할 수 있다. 이에 따라, 광의 투과도나 반사도를 조절할 수 있다. 실시예에 따르면, 전기변색층(30)은 무기착색물질을 포함할 수 있다. 무기착색물질에는 환원착색물질(Cathodic coloration materials)과 산화착색물질(Anodic coloration materials)이 있다. 환원착색물질은 환원반응(cathodic reaction)이 일어날 때 착색되고, 산화반응(anodic reaction)이 일어날 때 탈색된다. 환원탈색물질은 바나듐(V) 산화물, 크롬(Cr) 산화물, 망간(Mn) 산화물, 철(Fe) 산화물, 코발트(Co) 산화물, 니켈(Ni) 산화물, 로듐(Rh) 산화물, 이리듐(Ir) 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 환원탈색물질은 WO3, TiO2, MO3일 수 있다. 산화착색물질은 산화반응일 때 착색되고 환원반응일 때 탈색될 수 있다. 산화탈색물질은 티타늄(Ti) 산화물, 구리(Cu) 산화물, 몰리브덴(Mo) 산화물, 텅스텐(W) 산화물, 나이오븀(Nb) 산화물, 탄탈륨(Ta) 산화물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 산화착색물질은 Ni(OH)2, CoO2, IrO2일 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 전기변색층(30)은 유기착색물질을 포함할 수 있다. 유기착색물질은 폴리아닐린일 수 있다.
전해질층(40)이 전기변색층(30) 상에 제공된다. 전해질층(40)은 전기 변색 물질과 반응하는 산화/환원 물질을 공급할 수 있다. 전해질층(40)은 고체 전해질층(40)일 수 있다. 실시예에 따르면, 전해질층(40)은 오산화 탄탈럼(Tantalum pentoxide, Ta2O5)과 같은 고체무기전해질을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 전해질층(40)은 폴리(2-아크릴아미노-2-메틸프로판 술폰산)(poly(2-acrylamino-2-methylpropane sulfonic acid) 또는 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide))와 같은 유기 전해질을 포함할 수 있다. 또한 전해질층(40)은 전자 주개 및 전자 받개 역할을 하는 화합물을 더 포함하여 산화 및 환원 속도를 높일 수 있다. 예를 들어, 전해질층(40)은 페로센(ferrocene)을 더 포함할 수 있다.
상대전극(50)이 전해질층(40) 상에 제공된다.
상대전극(50)은 실리콘막일 수 있다. 상대전극(50)은 비정질 실리콘막, 다결정 실리콘, 실리콘 질화막, 실리콘 탄화막 중에서 적어도 하나일 수 있다. 상대전극(50)은 수소 이온 함유량이 많은 실리콘을 포함할 수 있다. 상대전극(50)은 실리콘 나노결정을 더 포함할 수 있다. "실리콘 나노결정"은 실리콘막 내부에 크기가 수 나노미터 수준인(nanostructure) 미세한 결정질 상의 실리콘 입자가 분산되어 있는 양자점 나노 미세구조의 총칭을 의미한다. 실리콘 나노결정의 형태는 통상적으로는 구형이나, 이에 제한되지는 않는다. 실리콘 양자점은 상대전극(50)의 수소 이온의 양을 높일 수 있다. 상대전극(50)은 제1 도펀트층(51) 및 제2 도펀트층(53)을 포함할 수 있다. 제1 도펀트층(51) 및 제2 도펀트층(53) 중에 어느 하나는 p형 도펀트층이고, 다른 하나는 n형 도펀트층일 수 있다. p형 도펀트층은 정공들로 이루어진 다수 캐리어들을 포함한다. n형 도펀트층은 전자들로 이루어진 다수 캐리어들을 포함한다. p형 도펀트층은 붕소(B), 알루미늄(Al) 및/또는 갈륨(Ga)등으로 도핑될 수 있다. n형 도펀트층은 인(P), 비소(As) 및/또는 안티모니(Sb)등으로 도핑될 수 있다. 제1 도펀트층(51) 및 제2 도펀트층(53)은 서로 접촉될 수 있다.
상대전극(50)은 이온저장층일 수 있다. 이온저장층은 전기변색층(30)의 착색 및 탈색시의 이온을 저장하는 역할을 할 수 있다. 이를 통해 전기변색소자(1)의 변색속도를 증가시키고, 전기변색소자(1)의 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서 수소이온이 상대전극(50) 내에 많이 함유될수록, 상대전극(50)은 이온저장을 더 잘 할 수 있다. 실리콘 양자점은 상대전극(50)의 수소이온 함유량을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상대전극(50)은 태양전지일 수 있다. 일례로, 상대전극(50)은 실리콘 태양전지 및/또는 실리콘 양자점 태양전지일 수 있다. 상대전극(50)은 태양전지의 광변환층으로서 역할을 수행할 수 있다.
제2 전극(60)이 상대전극(50) 상에 제공된다. 제2 전극(60)은 금속전극일 수 있다. 제2 전극(60)은 반사전극층일 수 있다. 이에 따라, 제2 전극(60)은 제1 기판(10)으로 입사된 태양광(100)을 반사시켜, 전기변색층(30) 및 태양전지인 상대전극(50)에서 흡수되는 태양광(100)의 양을 증가시킬 수 있다. 이로부터, 상대전극(50), 즉 태양전지의 광효율이 증가될 수 있다. 제2 전극(60)이 반사전극의 역할을 함으로써, 전기변색소자(1)의 변색시간이 단축되고, 효율이 증가될 수 있다.
제1 전극(20) 및 제2 전극(60)은 전압원(90)과 연결될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상대전극(50)의 제조방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2를 도 1과 함께 참조하면, 상대전극(50)은 실리콘 양자점을 포함하는 실리콘 막을 형성하고(S10). 불순물을 실리콘 막 내에 도핑시키고(S20), 불순물이 포함된 실리콘 막을 열처리하여(S30) 형성한다.
실리콘막은 화학기상증착법에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 막은 플라즈마로 증진된 화학기상 증착법(PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)으로 형성될 수 있다. 다른 예로, 실리콘 막은 대기압 화학기상 증착법(APCVD: Atmospheric Pressure CVD), 저압 화학기상 증착법(LPCVD: Low Pressure CVD), 금속 유기물 화학기상 증착법(MOCVD: Metal Organic CVD), 열 화학기상 증착법(Thermal CVD)에 의하여 상온 내지 1100도에서 형성될 수 있다. 상대전극(50)은 저온(예를 들어, 약 200도 내지 400도)에서 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 실리콘 질화막은 실리콘원 가스와 질소원 가스로부터 형성할 수 있다. 실리콘원 가스는 실란가스일 수 있다. 질소원 가스는 질소 및/또는 암모니아 가스일 수 있다. 예를 들어, 질소가스에 희석된 5% 실란 가스와 순도 99.9999%의 질소 가스일 수 있다. 플라즈마가 PECVD방식에 의하여 형성될 수 있다. 이를 통하여 실리콘 질화막을 형성하고, 동시에 실리콘 질화막 내에 실리콘 양자점을 성장시킬 수 있다.
불순물을 실리콘 막 내에 도핑시킨다.(S20) 불순물 도핑은 이온 주입법에 의해 수행될 수 있다. 실리콘막은 제1 도펀트층(51) 및 제2 도펀트층(53)을 포함할 수 있다. 제1 도펀트층(51) 및 제2 도펀트층(53) 중에 어느 하나를 붕소(B), 알루미늄(Al) 및/또는 갈륨(Ga)등으로 도핑될 수 있다. 제1 도펀트층(51) 및 제2 도펀트층(53) 중에 다른 하나는 인(P), 비소(As) 및/또는 안티모니(Sb)등으로 도핑될 수 있다.
열처리 공정이 불순물이 도핑된 실리콘 막에 대해 수행된다.(S30) 열처리 공정에서 산소유입을 최대한 억제하는 것이 요구될 수 있다. 일례로, 실리콘 막은 열처리 공정 전까지 진공분위기 하에 놓일 수 있다. 열처리 공정은 질소 분위기에서 수행될 수 있다.
상대전극(50)의 제조 방법은 실리콘막의 형성과 동시에 그 내부에 실리콘 양자점을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 전기변색소자(1)의 제조공정은 고온조건에서 수행되는 것이 적합하지 않을 수 있다. 예를 들어 약 1100도 이상에서의 열처리공정은 유리기판(10)을 손상시킬 수 있다. 본 발명에 따른 실리콘 양자점의 형성은 PECVD법 등에 의해 저온(예컨대, 약 200도 내지 400도)에서 이루어질 수 있다. 따라서 양자점 태양전지 구조를 가지는 상대전극(50)이 전기변색소자(1)에 효과적으로 도입될 수 있다.
본 발명에 따른 전기변색소자(1)의 작동원리는 다음과 같다.
도 1을 다시 참조하면, 태양광(100)은 제1 기판 (10)으로 입사할 수 있다. 태양광(100)의 일부는 제1 기판(10), 제 1전극(20), 전기변색층(30) 및 전해질층(40)을 거쳐 상대전극(50)에 입사될 수 있다. 상대전극(50)은 태양전지일 수 있다. 태양광(100)이 상대전극(50)에 입사되면, 전자-정공 쌍이 제1 도펀트층(51)과 제2 도펀트층(53) 사이에서 발생된다. 발생된 전자-전공이 이동하여 전기적 에너지가 생성된다. 실시예에 따르면, 실리콘막은 실리콘 양자점을 더 포함할 수 있다. 실리콘 양자점은 태양광(100)의 흡수영역이 넓다. 따라서 광흡수율을 증가시켜, 보다 많은 전기에너지가 생성될 수 있도록 한다. 생성된 전기에너지는 제1 전극(20)과 제2 전극(60)에 각각 인가되어 그 사이에 전계가 형성된다. 따라서, 본 발명에 따른 전기변색소자(1)는 외부에서의 전원공급 없이 자가발전 가능하다.
일 실시예에 따른 전기변색층(30)은 산화텅스텐(WO3)을 포함할 수 있다. 상대전극(50)에 의해 발생된 전기적에너지가 인가되면, 전기변색층(30)은 다음 화학식의 과정을 거쳐서 색을 나타내게 된다.
<화학식>
WO3 (투명색) + xe- + xH+ <==> HxWO3 (진한 청색)
상기 화학식에서 x는 정수일 수 있다. WO3은 투명상태(transparent state), HxWO3는 반사상태(reflective state)일 수 있다. 전기변색층(30)이 변색되기 위해서 수소이온이 필요하다. 상대전극(50)은 수소 이온이 풍부한 실리콘을 포함할 수 있다. 실리콘 양자점이 상대전극(50) 내에 더 형성되는 경우, 수소이온의 농도는 더 증가할 수 있다. 상대전극(50)을 구성하는 실리콘은 전기변색층(30)의 착색 및 탈색시의 수소이온을 저장하는 역할을 할 수 있다. 이를 통해 전기변색소자(1)의 변색속도가 향상될 수 있다. 전해질층(40)은 상대전극(50)과 전기변색층(30) 사이에 배치되어, 수소이온의 이동통로로서 작용한다.
전기변색층(30)은 태양광(100)이 입사되는 방향으로 배치되어 다양한 색을 구현할 수 있다. 전기변색층(30)은 태양광(100)이 입사되는 방향에 색을 구현하므로, 색이 제1 기판(10)면에서 인지될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기변색소자를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하여, 이미 설명한 기술적 특징은 설명의 간략함을 위하여 생략하기로 한다
도 3을 참조하면, 전기변색소자(2)는 제1 기판(10), 제1 전극(20), 상대전극(50), 전해질층(40), 전기변색층(30), 제2 전극(60), 제2 기판(70)을 포함할 수 있다.
제1 기판(10)이 제공된다. 제1 기판(10)은 투명기판일 수 있다.
제1 기판(10) 상에 제1 전극(20)이 제공된다. 제1 전극(20)은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO)일 수 있다.
상대전극(50)(counter electrode)이 제1 전극(20) 상에 형성된다.
상대전극(50)은 실리콘막일 수 있다. 상대전극(50)은 비정질 실리콘막, 다결정 실리콘, 실리콘 질화막, 실리콘 탄화막 중에서 적어도 하나일 수 있다. 상대전극(50)은 실리콘 나노결정을 더 포함할 수 있다. 따라서 상대전극(50)의 수소 이온의 양을 높일 수 있다. 상대전극(50)은 제1 도펀트층(51) 및 제2 도펀트층(53)을 포함할 수 있다. 제1 도펀트층(51) 및 제2 도펀트층(53) 중에 어느 하나를 붕소(B), 알루미늄(Al) 및/또는 갈륨(Ga)등으로 도핑되고, 다른 하나는 인(P), 비소(As) 및/또는 안티모니(Sb)등으로 도핑될 수 있다.
상대전극(50)은 이온저장층일 수 있다. 아울러, 상대전극(50)은 태양전지, 보다 상세하게 실리콘 태양전지일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 태양전지는 실리콘 양자점 태양전지일 수 있다. 상대전극(50)은 투명태양전지일 수도 있다.
전해질층(40)이 상대전극(50) 상에 제공된다. 전해질층(40)은 고체 유, 무기 전해질층(40)일 수 있다. 예를 들어, 전해질층(40)은 오산화 탄탈럼(Tantalum pentoxide, Ta2O5)을 포함할 수 있다.
전기변색층(30)이 전해질층(40) 상에 제공된다. 전기변색층(30)은 WO3, TiO2, MO3, Ni(OH)2, CoO2, IrO2 및/또는 폴리아닐린일 수 있다.
제2 전극(60)이 상대전극(50) 상에 제공된다. 제2 전극(60)은 투명전극 및/또는 금속전극일 수 있다. 제2 전극(60)은 반사전극층일 수 있다. 이 경우, 전기변색소자(2)의 효율이 증가할 수 있다.
제2 기판(70)이 제2 전극(60) 상에 제공된다. 제2 기판은 투명 및/또는 금속기판일 수 있다. 제1 전극(20) 및 제2 전극(60)은 전압원(90)과 연결될 수 있다.
태양광(100)은 제1 기판(10)으로 입사할 수 있다. 상대전극(50)이 투명태양전지인 경우, 전기변색층(30)은 태양광(100)이 입사되는 방향에 색을 구현할 수 있다. 변색은 전기변색소자(2)의 제1 기판(10)면에서 인지될 수 있다. 이에 따라, 전기변색소자(2)가 빌딩의 외벽 등에 사용될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 태양광(100)은 전기변색층(30)까지 입사되지 않을 수 있다. 이 경우, 전기변색층(30)은 태양광(100)이 입사되는 반대 방향에 색을 구현할 수 있다. 일례로, 변색은 전기변색소자(2)의 제 2 기판(70)을 통해 인지될 수 있다. 따라서 제2 전극(60)은 투명전극일 수 있다. 이에 따라, 전기변색소자(2)는 상대전극(50)이 실외를, 전기변색층(30)이 실내를 향하도록 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 전기변색소자(1, 2)는, 실리콘 태양전지를 상대전극(50)으로서 사용한다. 전기변색소자의 작동 전압은 1.5V 이하로 낮다. 따라서 전기변색소자는 저전압 전력원인 태양전지에 의해서도 구동될 수 있다. 본 발명에 따른 전기변색소자는 자기발전할 수 있다. 실리콘 태양전지는 수소이온 함유량이 높아서, 이온저장층의 역할을 동시에 할 수 있다. 상대전극(50)이 실리콘 양자점을 가지는 경우 태양전지의 에너지효율이 더 증가할 수 있다. 동시에 수소이온의 함유량이 높아져 이온저장효과도 증대될 수 있다. 실시예에 따른 실리콘 양자점은 저온조건에서 제조 가능하다. 따라서 전기변색소자의 공정측면에서 효과적일 수 있다.
Claims (14)
- 서로 이격되어 마주하는 제1 기판 및 제2 기판;
상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이의 전해질층;
상기 제1 기판과 상기 전해질층 사이의 제1 전극;
상기 제2 기판과 상기 전해질층 사이의 제2 전극;
상기 제1 전극과 상기 전해질층 사이의 전기변색층; 및
상기 제2 전극과 상기 전해질층 사이의 상대전극을 포함하고, 상기 상대전극은 실리콘 태양전지인 전기변색소자.
- 제 1항에 있어서.
상기 태양전지는 실리콘 양자점 태양전지인 전기변색소자.
- 제 1항에 있어서,
상기 실리콘은 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 비정질실리콘 또는 다결정실리콘 중에서 적어도 하나를 포함하는 전기변색소자.
- 제 1항에 있어서,
상기 상대전극은 수소이온을 포함하는 전기변색소자.
- 제 1항에 있어서,
상기 상대전극은,
붕소(B), 알루미늄(Al) 또는 갈륨(Ga) 중에서 적어도 하나로 도핑된 제1 도펀트층; 및
인(P), 비소(As) 또는 안티모니(Sb) 중에서 적어도 하나로 도핑된 제2 도펀트층을 포함하는 전기변색소자.
- 제1 기판 및 제2 기판을 제공하고;
상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 전해질층을 제공하고;
상기 제1 기판과 상기 전해질층 사이에 제 1 전극을 제공하고;
상기 제2 기판과 상기 전해질층 사이에 제2 전극을 제공하고;
상기 제1 전극과 상기 전해질층 사이에 전기변색층을 제공하고; 그리고
상기 제2 전극과 상기 전해질층 사이에 상대전극을 제공하되,
상기 상대전극은
실리콘 양자점을 포함하는 실리콘 막을 형성하는 것;
상기 실리콘 막 내에 불순물을 도핑시키는 것; 및
상기 불순물이 도핑된 상기 실리콘 막을 열처리하는 것을 포함하는 전기변색소자 제조방법.
- 제 6항에 있어서,
상기 실리콘 양자점을 포함하는 실리콘 막을 형성하는 것은 제1 도펀트 실리콘막을 형성하는 것 및 제2 도펀트 실리콘막을 형성하는 것을 포함하는 전기변색소자 제조방법.
- 제 7항에 있어서,
상기 실리콘 막 내에 상기 불순물을 도핑시키는 것은,
상기 제1 도펀트 실리콘막을 붕소(B), 알루미늄(Al) 또는 갈륨(Ga) 중에서 적어도 하나로 도핑시키고, 상기 제2 도펀트 실리콘막을 인(P), 비소(As) 또는 안티모니(Sb) 중에서 적어도 하나로 도핑시키는 전기변색소자 제조방법.
- 제 6항에 있어서,
상기 실리콘 양자점을 포함하는 실리콘 막을 형성하는 것은, 플라즈마증진화학기상 증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 대기압 화학기상 증착법(APCVD, Atmospheric Pressure CVD), 저압 화학기상 증착법(LPCVD, Low Pressure CVD) 또는 금속 유기물 화학기상 증착법(MOCVD, Metal Organic CVD)에 의하여 1100도 이하에서 수행되는 전기변색소자 제조방법.
- 제1 기판 상의 제1 전극;
상기 제1 전극 상의 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 상대전극;
상기 상대전극 상의 전해질층;
상기 전해질층 상의 상기 상대전극과 전기적으로 연결된 전기변색층;
상기 전기변색층 상의 제2 전극; 및
상기 제2 전극 상의 제2 기판을 포함하고,
상기 상대전극은 수소이온이 함유된 실리콘막을 포함하는 전기변색소자.
- 제 10항 있어서.
상기 전기변색층은 산화변색물질 또는 환원변색물질을 포함하는 전기변색소자.
- 제 11항에 있어서,
상기 산화변색물질은 바나듐(V) 산화물, 크롬(Cr) 산화물, 망간(Mn) 산화물, 철(Fe) 산화물, 코발트(Co) 산화물, 니켈(Ni) 산화물, 로듐(Rh) 산화물 또는 이리듐(Ir) 산화물 중에서 적어도 하나를 포함하는 전기변색소자.
- 제 11항에 있어서,
상기 환원변색물질은 티타늄(Ti) 산화물, 구리(Cu) 산화물, 몰리브덴(Mo) 산화물, 텅스텐(W) 산화물, 나이오븀(Nb) 산화물 또는 탄탈륨(Ta) 산화물 중에서 적어도 하나를 포함하는 전기변색소자.
- 제 10항 있어서,
상기 전해질층은 오산화 탄탈럼(Tantalum pentoxide, Ta2O5), 폴리(2-아크릴아미노-2-메틸프로판 술폰산)(poly(2-acrylamino-2-methylpropane sulfonic acid) 또는 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide))중에서 적어도 하나를 포함하는 전기변색소자.
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