KR20030067176A - 외장용 태양전지 구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노입자 태양 전지를 사용하여 주택 또는 회사의 외장용 창틀에 결합하여 실내 전원 공급원 역할을 할 수 있는 외장용 태양전지 구조를 개시한다. 개시된 본 발명은 서로 대향하도록 배치된 외장형 투명 기판들; 상기 투명 기판들 각각의 내측면 상에 배치된 투명 전극; 상기 투명 전극들 사이에 배치되어 산화티타늄, 감광성 염료 및 전해질 성분으로 이루어진 활성층; 및 상기 투명 전극으로부터 발생하는 전압을 인가하기 위한 단자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 투명 기판은 유리 기판 또는 플라스틱 재질을 갖는 투명 기판중에 선택적으로 사용할 수 있고, 상기 투명 기판들 중 태양광이 입사되는 투명 전극의 표면상에 무반사 코팅처리를 하거나, UV 필터를 채용하거나 RIE 방법으로 임의의 무늬를 넣어 무반사 처리를 할 수 있다.
Description
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 나노 크기의 분말체를 갖는 산화티타늄과 태양 전지의 양쪽 전극을 투명 전극으로 사용하여 유리창의 외장용으로 사용되면서 전원 공급 전지로 사용할 수 있는 즉, 스마트 윈도우나 차량용으로 활용이 가능한 외장용 태양 전지 구조에 관한 것이다.
일반적으로, 태양전지는 태양에서 발생하는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜 가정이나, 산업용의 보조 전력으로 사용되고 있다. 가정용 주택의 지붕을 실리콘으로 구성된 솔라 셀을 덮고, 태양광을 받아 주택의 난방, 발전 등에 사용된다. 또한, 최근에는 다양한 응용 예들이 나와서 교통 표지판, 신호등의 전원으로 사용하거나, 계산기의 전원으로 사용되고 있다.
또한, 태양전지의 종류는 크게 사용되는 재료와 사용 목적에 따라 나뉘고 있는데 태양전지에 사용되는 재료에 따라 실리콘계 태양전지, 화합물 반도체 태양전지 및 적층형 태양전지로 구분된다. 그리고, 사용 목적에 따라서는 지상용 태양전지, 위성용 태양전지로 구분된다. 각각 태양전지에 사용하는 소재가 차이가 있다. 그리고, 태양전지의 전기적 특성은 조사된 태양광의 강도를 일사 강도라 하는데, 지표면에서는 최대로 약 1kw/m2의 에너지가 조사되며, 보통 다수개의 정사각형 솔라 셀로 구성되어 있다. 전력은 1.5W에 하나의 셀당 약 0.5V의 출력전압을 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 태양 전지의 구조를 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼에 5가 원소(인, 비소, 안티몬 등)를 첨가하여 만든 N형 반도체(3)와, 상기 실리콘 웨이퍼에 3가 원소(붕소, 칼륨등)를 첨가하여 만든 P형 반도체(5)가 접합된 PN접합 구조를 하는 태양 전지는 상기 PN 접합 구조의 일측면, 즉, 태양광이 입사되는 면에 전면 전극(9)을 배치하고, 상기 전면 전극(9)들 사이에 태양광 반사를 방지하기 위하여 반사 방지막(7)을 형성 배치하였다. 또한, 상기 PN 접합 구조상의 전면 전극(9)이 배치된 타측면 상에는 상기 전면 전극(9)과 대응하는 후면 전극(1)이 형성 배치되어 있다.
따라서, 태양광이 상기 전면 전극(9) 상에 입사되어 상기 PN 접합 구조의 N형 반도체에서는 전자가 발생되고, P형 반도체에서는 정공이 발생되어, 전자는 상기 전면 전극(9)과 연결된 도선을 따라 이동하고, 정공은 상기 후면 전극(1)과 연결된 도선을 따라 이동하여 전류가 흐르게 된다.
상기에서 설명한 태양전지의 원리를 이용한 태양 전지 중 투광성과 좋은 미적 외관을 가지는 나노입자 태양전지를 이용하여 빌딩에 설치되는 많은 창문, 가정용 창문, 자동차의 유리등에 설치될 수 있도록 하여 전원 공급 기능과 외장형 구조를 모두 갖춘 외장형 태양 전지에 관한 것이다.
나노입자 태양 전지는 티타니아(TiO2) 등의 나노 크기를 갖은 반도체 산화물과 다양한 감광성 염료 분자를 이용하여 간단한 제조 공정을 통해서 만들 수 있는 전지이다.
특히, 나노 입자 태양 전지는 가시광선 영역은 설계에 따라 선택적으로 통과시키고, 자외선 영역을 전기로 변환시켜서 저가의 높은 에너지 효율과 화려한 미관을 가지며, 적외선 부분의 열을 반사시킴으로써 단열재로서의 역할을 가능하게 하는 환경 친화적 태양 전지이다.
그러나, 종래에 일반적으로 사용되어온 태양 전지는 실리콘 웨이퍼 상에 PN 접합이 형성된 구조를 하고 있으므로, 불투명하여 창문에 사용하기에는 부적당하다.
특히, 창문용 외장재로 사용하기 위해서는 태양광의 자외선 영역은 차단되고, 가시광선 영역을 입사되어야하는데, 종래의 태양 전지 셀들은 자외선과 가시광선을 모두 차단하는 단점이 있다.
아울러, 종래의 불투명 실리콘 태양 전지는 건물의 창문, 집안의 창문, 비닐 하우스의 외장재로 사용할수 없는등 그 설치 공간에 많은 제약을 받았다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 나노크기의 분말체 산화티타늄을 사용한 태양 전지 구조를 이용하여 다양한 색깔을 띨 수 있고, 태양 광을 투과할 수 있으며, 전원 공급원으로 사용할 수 있는 외장용 태양 전지 구조를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 태양 전지의 구조를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 외장용 태양전지의 구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 외장용 태양전지가 태양 광에 의하여 전기에너지를 발생하는 원리를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 외장용 태양전지의 전극 구조가 셀 단위일 때 전원 사용 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 외장용 태양전지의 전극 구조가 플레이트형일 때 전원 사용 방법을 설명하기 위한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
11: 유리 기판13, 15: 투명 전극
17: 활성층20: 산화티타늄 분말체
21: 감광성 염료23: 전해질
30: 트랜스포머
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 외장재 태양 전지 구조는,
서로 대향하도록 배치된 외장형 투명 기판들;
상기 투명 기판들 각각의 내측면 상에 배치된 투명 전극;
상기 투명 전극들 사이에 배치되어 산화티타늄, 감광성 염료 및 전해질 성분으로 이루어진 활성층; 및
상기 투명 전극으로부터 발생하는 전압을 인가하기 위한 단자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 투명 기판은 유리 기판 또는 플라스틱 재질을 갖는 투명 기판중에 선택적으로 사용할 수 있고, 상기 투명 기판들 중 태양광이 입사되는 투명 전극의 표면상에 무반사 코팅처리를 하며, 상기 무반사 코팅 재료는 폴리카보나이트, 폴리에틸렌에테르에탈레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리에틸렌압틸레이트 및 폴리에틸렌술페이트 또는 그 밖의 통상적으로 알려져 있는 재료를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 투명 전극의 패턴이 셀단위의 직렬 연결인 경우에는 직렬 연결된 셀의 개수에 따라 인가되는 전압이 고정되고, 상기 투명 전극의 패턴이 전체적인 플레이트일 경우에는 상기 전압 단자에 트랜스포머를 배치하여 적절한 전압으로 변화시켜 사용할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 나노 입자를 이용한 활성층과 투명 전극을 사용한 태양 전지를 일반 외장재 내부에 삽입하여 건물 내부의 전원 공급원으로 사용할 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 외장용 태양 전지의 구조를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 외장용 유리 기판(11)을 사이에 두고, 태양 전지가 배치되어 있다. 상기 유리기판(11)과 인접한 면에는 투명 금속으로된 태양 전지전극(13, 15)이 배치되어 있고, 상기 전극들(13, 15) 사이에는 태양 광을 전기에너지로 변환하는 활성층(17)이 존재한다.
상기 유리 기판(11) 사이에 배치된 태양 전지는 나노 크기의 분말체로된 산화티타늄을 사용한 나노입자 태양 전지로서, 태양광의 가시광선 영역의 파장은 설계에 따라 원하는 양 만큼 투과시키고, 원하는 양만큼은 나노입자 태양전지에 의해 전기로 변환되며, 자외선 영역의 파장은 상기 활성층(17)과 반응하여 전기에너지로 변환된다. 따라서, 외장용 태양 전지는 건물에서 사용되는 일반적인 외장재 역할을 하면서, 건물 내부에서 보조 전력 공급원으로 사용할 수 있는 기능을 하게된다.
도 3은 본 발명에 따른 외장용 태양 전지가 태양광에 의하여 전기에너지를 발생하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 외장용 태양 전지의 활성층은 나노 크기의 직경을 갖는 산화티타늄 분말체(20)와 가시광선을 선택적으로 흡수하는 감광성 염료(21) 및 전해질(23)이 혼합되어 있다. 상기 활성층의 양쪽에 배치된 전극들(13, 15)은 모두 투명한 금속 성질 갖는 ITO, ZnO 또는 이들의 화합물로 되어있다.
상기 전해질(23)은 액체와 고체 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있는데, 액체 전해질인 경우에는 아이오티드 또는 트리오티드 등의 7족 할로겐 원소가 사용되고, 고체 전해질인 경우에는 TPD(Tolyl Phenyl Diamine)등 카본 화합물을 사용한다. 상기 액체 전해질을 사용할 경우에는 광효율이 10% 이상으로서 우수하나, 정밀 봉합 공정이 필요하고, 상기 고체 전해질을 사용할 경우에는 광효율이 5%정도이지만, 봉합 공정이 단순하여 제조가 용이하다.
먼저, 유리 기판 혹은 투명 플라스틱 기판을 통하여 입사되는 광은 상기 투명 전극(13)을 통하여 상기 활성층의 감광성 염료(21)에 흡수되고, 상기 감광성 염료(21)에서는 전자들이 분리되어 상기 산화티타늄 분말체(20)로 이동한다. 상기 산화티타늄 분말체(20)는 나노 크기의 직경을 갖기 때문에 태양광이 입사되는 면적이 넓고, 이로 인하여 태양에너지를 더 많이 전기에너지로 변환할 수 있게된다. 여기서 발생되는 전자들은 상기 투명 전극(13, 15)을 통하여 외부에 연결되어 있는 전기 장치에 공급된다.
상기 감광성 염료(21)는 일반적으로 루테늄 염료(Ru-dye)를 사용하나, Al, Pt, Pd, Eu, Pb 등 각각의 메탈 콤플렉스 형태의 화합물이 가능하며 또한, 하이드록시기를 가지고 있는 아조화합물, 카본환 형태로 구성하여 사용될 수 있다. 이렇게, 염료의 성분을 다양하게 하면 태양 광에서 조사되는 일정 가시광선 영역의 빛만 통과하게되어 다양한 색깔을 뛸 수 있는 창문을 제작할 수 있게된다.
또한, 상기 투명 전극(13, 15)이 형성된 표면상에 얇은 백금 박막 층을 배치하여 전해질의 촉매 역할을 하도록 하여 환원 작용의 촉진을 활성시키는 효과를 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 외장용 태양 전지의 전극 구조가 셀 단위일 때 전원 사용 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 투명 전극의 형태를 각각의 솔라 셀 단위에 대응되도록 패터닝하고, 각각의 투명 전극을 직렬로 연결하여 전압을 조절하는 방식이다. 나노입자 태양 전지의 밴드 갭 전압은 0.48~0.52V의 전압을 갖게되는데 3개의 투명 전극을 연결하게되면 약 1.5V의 전압을 얻을 수 있다. 200개의 셀을 연결할 경우에는 100V이상의 전압을 얻을 수 있어 전원 공급원으로 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 외장용 태양 전지의 전극 구조가 플레이트형일 때 전원 사용 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 태양 전지의 투명 전극을 플레이트형으로 패터닝한 다음, 단자를 트랜스포머에 연결하여 승압 및 강압을 하여 사용한다. 특정 형태로 패턴을 하지 않으므로, 완전한 하나의 +와 -의 전극(13, 15)을 만들 수 있다. 상기 투명 전극들(13, 15)이 하나의 패턴으로 동작하므로, 외장재로서의 외관을 해치지 않는 이점이 있다. 활성 면적이 넓어 태양 광이 받는 면적이 매우 넓어진다. 상기 트랜스포머(30)의 조절에 의하여 자유로운 전압 설정이 가능한 바, 모든 가전 제품 또는 모든 휴대형 전자 제품에 하나의 구조로 대응할 수 있다.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명은 나노입자 태양 전지를 외장재에 사용하여 종래의 태양 전지의 설치 공간의 제약을 해소하였다.
또한, 태양 전지의 전극을 다양한 패턴으로 구성하여, 전원 공급원으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 외장용 태양 전지의 전극 패턴에 따라 사용되는 적절한 전압을 인가할 수 있는 전원 공급원으로 사용할 수 있게된다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.
Claims (4)
- 서로 대향하도록 배치된 외장형 투명 기판들;상기 투명 기판들 각각의 내측면 상에 배치된 투명 전극;상기 투명 전극들 사이에 배치되어 산화티타늄, 감광성 염료 및 전해질 성분으로 이루어진 활성층; 및상기 투명 전극으로부터 발생하는 전압을 인가하기 위한 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 외장재 태양 전지 구조.
- 제 1 항에 있어서,상기 투명 기판은 유리 기판 또는 플라스틱 재질을 갖는 투명 기판중에 선택적으로 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 외장형 태양 전지 구조.
- 제 1 항에 있어서,상기 투명 기판들 중 태양광이 입사되는 투명 전극의 표면 상에 무반사 코팅처리를 하는 것을 특징으로 하는 외장형 태양 전지 구조.
- 제 1 항에 있어서,상기 투명 전극의 패턴이 셀단위의 직렬 연결인 경우에는 직렬 연결된 셀의 개수에 따라 인가되는 전압이 고정되고, 상기 투명 전극의 패턴이 전체적인 플레이트일 경우에는 상기 전압 단자에 트랜스포머를 배치하여 적절한 전압으로 변화시켜 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 외장형 태양 전지 구조.
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| KR1020020007055A KR20030067176A (ko) | 2002-02-07 | 2002-02-07 | 외장용 태양전지 구조 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20030067176A true KR20030067176A (ko) | 2003-08-14 |
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ID=32220888
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020020007055A Ceased KR20030067176A (ko) | 2002-02-07 | 2002-02-07 | 외장용 태양전지 구조 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20030067176A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100967461B1 (ko) * | 2008-05-14 | 2010-07-06 | 조윤채 | 배낭형 안전 유도라인 통신장비 |
| KR20220022596A (ko) * | 2020-08-19 | 2022-02-28 | 한국과학기술연구원 | 마이크로 태양전지 어레이 및 광변환소재 기반 투명 태양광 윈도우 및 이를 구비한 복층 창호 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5350644A (en) * | 1990-04-17 | 1994-09-27 | Ecole Polytechnique, Federale De Lausanne | Photovoltaic cells |
| JPH11195440A (ja) * | 1998-01-05 | 1999-07-21 | Futaba Corp | 太陽電池及びその製造方法 |
| JPH11312541A (ja) * | 1998-04-30 | 1999-11-09 | Minolta Co Ltd | 太陽電池 |
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-
2002
- 2002-02-07 KR KR1020020007055A patent/KR20030067176A/ko not_active Ceased
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Legal Events
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Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20031127 Patent event code: PE09021S01D |
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Patent event date: 20040225 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20031127 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |