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KR20120095697A - 염료감응 태양전지 - Google Patents

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KR20120095697A
KR20120095697A KR1020110015170A KR20110015170A KR20120095697A KR 20120095697 A KR20120095697 A KR 20120095697A KR 1020110015170 A KR1020110015170 A KR 1020110015170A KR 20110015170 A KR20110015170 A KR 20110015170A KR 20120095697 A KR20120095697 A KR 20120095697A
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KR
South Korea
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conductive substrate
dye
solar cell
sensitized solar
photoelectric conversion
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Withdrawn
Application number
KR1020110015170A
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Inventor
윤호경
Original Assignee
한국전자통신연구원
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Publication date
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Priority to JP2012009131A priority patent/JP2012174685A/ja
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Abstract

에너지 변환 효율을 최대화할 수 있는 염료감응 태양전지가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지는, 서로 대향된 제1 전도성 기판 및 제3 전도성 기판; 상기 제3 전도성 기판과 대향되되, 적어도 하나의 관통홀들을 가지면서 상기 제1 전도성 기판과 상기 제3 전도성 기판 사이에 배치된 제2 전도성 기판; 상기 제2 전도성 기판과 상기 제3 전도성 기판 사이에 배치되되, 상기 제3 전도성 기판과 접촉하는 제1 광전 변환부 및 상기 제2 전도성 기판과 접촉하는 제2 광전 변환부를 포함하는 광전 변환부; 상기 제2 전도성 기판과 이격되어 상기 제1 전도성 기판 상에 배치된 촉매층; 및 상기 촉매층과 상기 제3 전도성 기판 사이에 개재된 전해질층을 포함한다.

Description

염료감응 태양전지{DYE SENSITIZED SOLAR CELL}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
태양 전지는 태양으로부터 방출되는 빛 에너지를 전기 에너지로 전환하는 광전 에너지 변환 시스템(photovoltaic energy conversion system)이다. 현재 주로 사용되는 실리콘 태양 전지는 상기 광전 에너지 변환을 위해 실리콘 내에 형성되는 p-n 접합 다이오드(p-n junction diode)를 이용하지만, 전자 및 홀의 때이른 재결합(premature recombination)을 방지하기 위해서, 사용되는 실리콘은 높은 순도 및 낮은 결함을 가져야 한다. 이러한 기술적 요구는 사용되는 재료 비용의 증가를 가져오기 때문에, 실리콘 태양 전지의 경우 전력당 제조 비용이 높다.
이에 더하여, 밴드 갭 이상의 에너지를 갖는 광자들(photons)만이 전류를 생성하는데 기여하기 때문에, 실리콘 태양 전지의 실리콘은 가능한 낮은 밴드갭(bandgap)을 갖도록 도핑된다. 하지만, 이처럼 낮춰진 밴드갭 때문에 청색광 또는 자외선에 의해 여기된 전자들(excited electrons)은 과도한 에너지를 갖게 되어, 전류 생산에 기여하기보다는 열로써 소모된다. 또한, 광자(photon)가 캡쳐링(capturing)될 가능성을 증가시키기 위해서 p형층(p-type layer)은 충분히 두꺼워야 한다. 하지만, 이러한 두꺼운 p형층은 여기된 전자가 p-n 접합에 도달하기 전에 정공과 재결합할 가능성을 증가시키기 때문에 실리콘 태양 전지의 효율에 한계가 나타나게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 에너지 변환 효율을 최대화할 수 있는 염료감응 태양전지를 제공하는 데 있다.
상기 일 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지는, 서로 대향된 제1 전도성 기판 및 제3 전도성 기판; 상기 제3 전도성 기판과 대향되되, 적어도 하나의 관통홀들을 가지면서 상기 제1 전도성 기판과 상기 제3 전도성 기판 사이에 배치된 제2 전도성 기판; 상기 제2 전도성 기판과 상기 제3 전도성 기판 사이에 배치되되, 상기 제3 전도성 기판과 접촉하는 제1 광전 변환부 및 상기 제2 전도성 기판과 접촉하는 제2 광전 변환부를 포함하는 광전 변환부; 상기 제2 전도성 기판과 이격되어 상기 제1 전도성 기판 상에 배치된 촉매층; 및 상기 촉매층과 상기 제3 전도성 기판 사이에 개재된 전해질층을 포함한다.
상기 광전 변환부는 산화물 반도체 입자들 및 상기 산화물 반도체 입자들에 흡착되고, 상기 제1 광전 변환부와 상기 제2 광전 변환부에서 흡수하는 스펙트럼의 분포가 서로 다른 염료 물질들을 포함한다.
상기 염료 물질들은 Ruthenium 535-bisTBA(N719), Ruthenium 620-1H3TBA(Black dye), 유기 염료(Organic dye), 양자점(Quantum-dot) 또는 자연 염료(Natural dye) 중 적어도 하나이다.
상기 제2 전도성 기판은 상기 관통홀들 이외의 영역에서 균일한 두께를 가지는 금속 박막 또는 금속 호일(metal foil)이다.
상기 제2 전도성 기판은 그 상면 또는 그 하면 중 적어도 하나로부터 연장되는 적어도 하나의 돌출부를 더 포함한다.
상기 제2 전도성 기판은 교차하면서 짜여진 와이어들을 포함하는 메쉬 구조체(mesh structure), 분말들이 서로 연결된 소결체(sintered structure), 다공질의 전도성 물질층 및 나노튜브를 포함하는 도전성막 중 적어도 하나이다.
상기 제2 전도성 기판과 상기 제3 전도성 기판은 전기적으로 연결된다.
상기 제1 전도성 기판, 상기 제2 전도성 기판 및 상기 제3 전도성 기판은 연성(flexible)이다.
상기 제3 전도성 기판은 투명 전도성 물질로 형성된다.
상기 촉매층과 상기 제2 전도성 기판 사이 또는 상기 제2 전도성 기판과 상기 제3 전도성 기판 사이 중 적어도 한 곳에 배치되는 절연성 지지체를 더 포함한다.
상기 절연성 지지체는 다공질 절연성 물질을 포함하고, 상기 전해질층은 상기 다공질 절연성 물질의 절연성 지지체에 함침(impregnate)된다.
상기 제1 전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판 사이의 가장자리에 배치되는 제1 봉지재; 및 상기 제2 전도성 기판 상의 가장자리에 배치되는 제2 봉지재를 더 포함하되, 상기 관통홀들은 상기 제1 봉지재 및 상기 제2 봉지재 사이의 영역을 제외한 상기 제2 전도성 기판 내에 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지는, 두 전도성 기판들 사이에 분리 배치되되, 접촉되는 전도성 기판에 따라 산화물 반도체 입자들에 흡수하는 스펙트럼의 분포가 서로 다른 염료 물질들이 흡착된 광전 변환부를 구비할 수 있다. 이에 따라, 염료감응 태양전지에 흡수되는 파장을 최대화하여 염료감응 태양전지의 에너지 변환 효율의 최대화를 통해 고효율의 염료감응 태양전지를 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 2는 유연성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 제2 전도성 기판을 도시하는 사시도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전도성 기판의 형성 방법을 나타내는 도면이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 염료감응 태양전지의 단면도들이다.
이상의 본 발명의 목적, 특징들 및 이점은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예의 제1 막으로 언급된 막이 다른 실시예에서는 제2 막으로 언급될 수도 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이고, 도 2는 유연성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이며, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 제2 전도성 기판을 도시하는 사시도들이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)는, 서로 대향된 제1 및 제3 전도성 기판(10, 70), 상기 제3 전도성 기판(70)과 대향되되, 적어도 하나의 관통홀들(42)을 가지면서 상기 제1 전도성 기판(10)과 상기 제3 전도성 기판(70) 사이에 배치된 제2 전도성 기판(40), 및 상기 제2 전도성 기판(40)과 상기 제3 전도성 기판(70) 사이에서 하나는 상기 제3 전도성 기판(70)과 접촉하고, 나머지 하나는 상기 제2 전도성 기판(40)과 접촉하는 제1 및 제2 광전 변환부(51, 52)를 포함하는 광전 변환부(50)를 포함한다.
이에 더하여, 상기 제1 전도성 기판(10)의 상면에 촉매층(20)이 배치되고, 상기 촉매층(20)과 상기 제2 전도성 기판(40) 사이의 가장자리에 제1 봉지재(30)가 배치되고, 상기 제2 전도성 기판(40)과 상기 제3 전도성 기판(70) 사이의 가장자리에 제2 봉지재(60)가 배치되고, 상기 촉매층(20)과 상기 제3 전도성 기판(70) 사이의 공간에는 전해질층(80, electrolyte layer)이 개재된다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 광전 변환부(50)는 상기 제3 전도성 기판(70)과 접촉하는 제1 광전 변환부(51) 및 상기 제2 전도성 기판(40)과 접촉하면서 상기 제1 광전 변환부(51)와 마주보는 제2 광전 변환부(52)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 광전 변환부(52)는 상기 제1 광전 변환부(51)로부터 일정 간격 이격되어 배치된다. 이에 따라, 상기 제1 광전 변환부(51)와 상기 제2 광전 변환부(52)는 서로 분리된다.
상기 제1 광전 변환부(51)는 제1 산화물 반도체 입자들(53) 및 상기 제1 산화물 반도체 입자들(53)의 표면에 흡착되는 제1 염료 물질들(54)을 포함할 수 있다. 상기 제2 광전 변환부(52)는 제2 산화물 반도체 입자들(55) 및 상기 제2 산화물 반도체 입자들(55)의 표면에 흡착되는 제2 염료 물질들(56)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 염료 물질들(54)은 상기 제2 염료 물질들(56)과 흡수하는 스펙트럼의 분포가 서로 다를 수 있다.
상기 제1 산화물 반도체 입자들(53) 및 상기 제2 산화물 반도체 입자들(55)은 전이 금속 산화물을 포함하는 금속 산화물들 중 적어도 하나일 수 있다. 예를 들어, 상기 전이 금속 산화물은 티타늄 산화물(TiO2), 주석 산화물(SnO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 실리콘 산화물(SiO2), 마그네슘 산화물(MgO), 니오븀 산화물(Nb2O5) 및 아연 산화물(ZnO) 등으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. 상기 제1 산화물 반도체 입자들(53)과 상기 제2 산화물 반도체 입자들(55)은 동일한 물질이거나 혹은 다른 물질일 수 있다. 상기 제1 산화물 반도체 입자들(53) 및 상기 제2 산화물 반도체 입자들(55)은, 예를 들어, 약 5 내지 30nm의 나노급 사이즈의 입자 크기를 가질 수 있다.
상기 제1 염료 물질들(54) 및 상기 제2 염료 물질들(56)은 빛 에너지를 전기적 에너지로 전환시킬 수 있는 루테늄 착체(錯體)와 같은 염료 분자들로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 염료 물질들(54) 및 상기 제2 염료 물질들(56)은 Ruthenium 535-bisTBA(N719), Ruthenium 620-1H3TBA(Black dye), 유기 염료(Organic dye), 양자점(Quantum-dot) 또는 자연 염료(Natural dye) 등과 같이, 상기 제1 산화물 반도체 입자들(53) 또는 상기 제2 산화물 반도체 입자들(55)에 흡착되어 태양광에 의해 전자를 발생시키는 기능을 가지는, 다양한 염료들 중의 적어도 하나일 수 있다.
상기 제1 전도성 기판(10) 및 상기 제2 전도성 기판(40)은 금속들 및 금속 합금들 중의 적어도 하나를 포함하는 금속 박막(thin film) 또는 금속 호일(foil)로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전도성 기판(10) 및 상기 제2 전도성 기판(40)은 티타늄, 스테인레스 스틸(stainless steel), 알루미늄 및 구리 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이 외에 다른 다양한 금속성 물질을 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 전도성 기판(10)의 하면은 절연성 박막(미도시)으로 코팅될 수 있다. 상기 제1 전도성 기판(10) 및 상기 제2 전도성 기판(40)은 와이어(90)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제3 전도성 기판(70)은 수광 기판으로서, 투명 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제3 전도성 기판(70)은 투명 전도층이 코팅된 유리 또는 투명 전도층이 코팅된 고분자 필름으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 투명 전도층은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 SnO2로 이루어질 수 있으며, 상기 제1 광전 변환부(51)와 접촉된다.
도 1에 도시된 것처럼, 상기 제1 전도성 기판(10), 상기 제2 전도성 기판(40) 및 상기 제3 전도성 기판(70)은 강성(rigid)의 특성을 가질 수 있다. 이와는 다르게, 도 2에 도시된 것처럼, 상기 제1 전도성 기판(10), 상기 제2 전도성 기판(40) 및 상기 제3 전도성 기판(70)은 연성(flexible)의 특성을 가질 수 있다. 상기 제1 전도성 기판(10), 상기 제2 전도성 기판(40) 및 상기 제3 전도성 기판(70)이 연성이라면, 상기 염료감응 태양전지(100)는 유연(flexible)한 특성을 가질 수 있다. 즉, 제품의 외형을 변형시킬 수 있는 외력(external force) 하에서도, 상기 염료감응 태양전지(100)는 실질적인 기능 상실 또는 제품 파손없이 정상적으로 동작할 수 있다. 상기 염료감응 태양전지(100)가 유연한 특성을 가질 때, 예를 들어, 상기 제1 전도성 기판(10), 상기 제2 전도성 기판(40) 및 상기 제3 전도성 기판(70)은 수 마이크로 미터 내지 수 밀리 미터의 두께로 형성될 수 있으며, 더 구체적인 두께는 해당 물질의 종류에 따라 달라질 수 있다.
상기 전해질층(80)은 상기 제1 봉지재(30) 및 상기 제2 봉지재(60)에 의해 구획된 상기 촉매층(20)과 상기 제3 전도성 기판(70) 사이의 공간에서 액체, 준고체 또는 고체 상태의 전해질로 채워질 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질층(80)은 요오드계 산화환원 전해질(redox iodide electrolyte)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질층(80)은 0.7M의 1-비닐-3-헥실-이미다졸륨 아이오다이드(1-vinyl-3-hexyl-imidazolium iodide), 0.1M의 LiI 및 40mM의 I2(Iodine)를 3-메톡시프로피오니트릴(3-Methoxypropionitrile)에 용해시킨 I3 -/I-의 전해액, 0.6M의 부틸메틸이미다졸륨(butylmethylimidazolium), 0.02M의 I2, 0.1M의 구아니디늄 티오시아네이트(Guanidinium thiocyanate) 및 0.5M의 4-터셔리-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine)을 포함하는 아세토니트릴(acetonitrile) 용액, 알킬이미다졸륨 요오드화물(alkylimidazolium iodides) 또는 테트라-알킬암모늄 요오드화물(tetra-alkylammonium iodides) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 전해질층(80)은 표면 첨가제를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 표면 첨가제는 터셔리-부틸피리딘(tert-butylpyridin; TBP), 벤지미다졸(benzimidazole; BI) 및 N메틸벤지미다졸(NMethylbenzimidazole; NMBI) 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 전해질층(80)은 아세토니트릴(acetonitrile) 용액, 프로피오니트릴(propionitrile) 용액, 또는 아세토니트릴(acetonitrile)과 발레로니트릴(valeronitrile)의 혼합액 중 하나를 용매로서 사용할 수 있다.
상기 촉매층(20)은 전해질의 환원 과정에 참여할 수 있도록 상기 전해질층(80)과 접촉한다. 상기 촉매층(20)은 상기 제2 전도성 기판(40)과 일정 간격 이격되어 상기 제1 전도성 기판(10)의 표면상에 형성될 수 있다. 상기 전해질층(80)이 상기 요오드계 산화환원 전해질을 포함한다면, 상기 촉매층(20)은 백금(Pt)으로 형성될 수 있다.
상기 제3 전도성 기판(70)을 통해 태양광 중 스펙트럼의 분포가 서로 다른 빛이 상기 제1 광전 변환부(51)와 상기 제2 광전 변환부(52)로 입사되면, 상기 제1 및 제2 염료 물질(54, 56)의 전자들은 입사된 빛에 의해 여기(excited)되어 상기 제1 또는 제2 산화물 반도체 입자들(53, 55)의 전도대(conduction band)로 주입된 후, 상기 제2 또는 제3 전도성 기판(40, 70), 소정의 부하(L)(load), 및 상기 제1 전도성 기판(10)을 경유하여 상기 전해질층(80)에서 환원된다. 이러한 과정은 상기 염료감응 태양전지(100)의 전자 순환 체계라고 불리어진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 염료감응 태양전지(100)는 상기 제1 광전 변환부(51)와 상기 제2 광전 변환부(52)를 통해 스펙트럼의 분포가 서로 다른 빛을 흡수할 수 있다. 즉, 상기 염료감응 태양전지(100)는 상기 제1 광전 변환부(51)를 통해 입사된 빛의 일부를 흡수하고, 상기 제1 광전 변환부(51)에서 흡수되지 못한 빛의 일부를 상기 제2 광전 변환부(52)를 통해 흡수할 수 있다. 이렇게 상기 제1 광전 변환부(51)와 상기 제2 광전 변환부(52)를 통해 흡수된 빛은 각각 상기 제3 전도성 기판(70)과 상기 제2 전도성 기판(40)을 경유하여 합해져 전해질의 환원 과정에 쓰여질 수 있다. 그 결과, 상기 염료감응 태양전지(100)에 흡수되는 파장의 영역을 넓혀 상기 염료감응 태양전지(100)의 에너지 변환 효율을 최대화할 수 있고, 이를 통해 고효율의 상기 염료감응 태양전지(100)를 제작할 수 있다.
한편, 전해질의 환원 과정 또는 상기 염료감응 태양전지(100)의 전자 순환 과정이 지속적으로 이루어지기 위해서는, 상기 광전 변환부들(50)에서 전자를 잃은 이온들이 환원 과정이 일어나는 상기 촉매층(20)으로 확산될 수 있어야 한다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 광전 변환부들(50)과 상기 촉매층(20) 사이에 배치되는 상기 제2 전도성 기판(40)은 적어도 하나의 관통홀들(42)을 갖는다.
상기 관통홀들(42)은 상기 제2 전도성 기판(40)의 일부 영역 내에서 규칙적으로 배열될 수 있다. 도 3a에 도시된 것처럼, 상기 관통홀들(42)이 규칙적으로 형성될 때, 하나의 관통홀(42)과 그에 인접하는 관통홀들(42) 사이의 상대적 위치 및 거리는 평행하지 않은 두 벡터들(a, b)에 의해 표현될 수 있다. 또한, 복수의 인접하는 다른 관통홀들(42) 사이의 상대적 위치 및 거리는 상기 두 벡터들(a, b)에 의해 동일하게 표현될 수 있다. 이처럼, 상기 관통홀들(42)이 상기 제2 전도성 기판(40) 내에 규칙적으로 배열될 경우, 상기 이온들이 상기 촉매층(20)으로 균일하게 확산될 수 있다. 그 결과, 환원 과정이 균일하면서도 효율적으로 이루어질 수 있어, 제품의 광전 성능(photovoltaic performance)이 향상될 수 있다.
한편, 상기 제2 전도성 기판(40) 내에 형성되는 모든 관통홀들(42)의 배치는 소정의 벡터들로 구성되는 벡터 집합을 포함하는 복수의 벡터 집합들에 의해 실질적으로 완전하게 표현될 수 있다. 상기 관통홀들(42)의 배치를 정의하는 상기 벡터 집합들의 수가 증가할 경우, 상기 관통홀들(42)은 감소된 규칙성을 가지고 배치되거나 무작위적으로 배치될 수 있다. 즉, 상기 관통홀들(42)의 배치에서의 규칙성 수준은 다양할 수 있다. 상기 관통홀들(42)의 폭은 상기 제1 및 제2 산화물 반도체 입자들(53, 55)의 평균 직경보다 작거나 그 수배일 수 있다. 예를 들면, 상기 관통홀들(42)의 폭은 약 수 나노 미터 내지 수 센티 미터일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3a에 도시된 것처럼, 상기 제2 전도성 기판(40)은 상기 관통홀들(42)을 제외한 전 영역에서 실질적으로 균일한 두께로 형성될 수 있다. 이와는 다르게, 도 3b에 도시된 것처럼, 상기 제2 전도성 기판(40)은 그 상면으로부터 연장되는 적어도 하나의 돌출부들(45)을 포함할 수 있다. 하지만, 상기 돌출부들(45)은 도 3b에 도시된 실시예로부터 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들면, 상기 돌출부들(45)은 상기 제2 전도성 기판(40)의 하면으로부터 아래쪽으로 연장되는 부분 또는 상기 제2 전도성 기판(40)의 상면으로부터 위쪽으로 연장되는 부분 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 돌출부들(45)이 배치되는 위치 및 두께 역시 다양하게 변형될 수 있다.
도 4에 도시된 것처럼, 상기 관통홀들(42)은 상기 관통홀들(42)의 위치를 정의하는 적어도 하나의 개구부들(95)를 포함하는 식각 마스크(EM)를 통해 상기 제2 전도성 기판(40)을 위한 금속막이 식각(99)되어 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 식각은 상기 제2 전도성 기판(40)을 위한 금속막의 상면 또는 하면 중 적어도 한 면을 식각하는 습식 식각(wet etch)일 수 있다.
상기 식각 마스크(EM)는 재사용 가능한 물질, 예를 들면, 고분자 화합물 또는 세라믹으로 형성될 수 있다. 이처럼 재사용 가능한 식각 마스크를 사용하면, 상기 관통홀들(42)을 갖는 제2 전도성 기판(40)의 준비 비용이 절감될 수 있을 뿐만 아니라 상기 관통홀들(42)의 위치가 제조되는 염료감응 태양전지들 모두에서 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 관통홀들(42)의 위치적 변이(variation) 감소는, 제조되는 염료감응 태양전지들의 제품 특성에서의 균일성을 향상시킬 수 있다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 염료감응 태양전지의 단면도들이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1, 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명된 실시예와 중복되는 기술적 특징들에 대한 설명은 생략될 것이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 촉매층(20)과 제3 전도성 기판(70) 사이에는 제1 지지체(82) 또는 제2 지지체(84) 중 적어도 하나가 더 배치될 수 있다. 구체적으로, 도 5에 도시된 것처럼, 상기 제1 지지체(82)가 상기 촉매층(20)과 상기 제2 전도성 기판(40) 사이에 배치될 수 있다. 도 6에 도시된 것처럼, 상기 제2 지지체(84)가 상기 제2 전도성 기판(40)과 상기 제3 전도성 기판(70) 사이에 배치될 수 있다. 도 7에 도시된 것처럼, 상기 제1 지지체(82)가 상기 촉매층(20)과 상기 제2 전도성 기판(40) 사이에 배치되고, 상기 제2 지지체(84)가 상기 제2 전도성 기판(40)과 상기 제3 전도성 기판(70) 사이에 배치될 수 있다.
상기 제1 지지체(82)는 상기 촉매층(20)으로부터 상기 제2 전도성 기판(40)을 물리적/전기적으로 이격시키는 스페이서(spacer)일 수 있다. 상기 제1 지지체(82)는 절연성 물질, 예를 들면, 유리, 세라믹 또는 플라스틱으로 형성될 수 있다. 상기 제1 지지체(82)는 볼(ball) 또는 바(bar) 형상을 가질 수 있다. 여기서, 상기 제1 지지체(82)는 바 형상으로 도시되었다. 그러나, 상기 제1 지지체(82)의 물질 및 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
이러한 절연성의 상기 제1 지지체(82)에 의해, 상기 촉매층(20)과 상기 제2 전도성 기판(40)의 직접적인 접촉(즉, 전기적 쇼트)이 예방될 수 있으며, 상기 촉매층(20)과 상기 제2 전도성 기판(40) 사이의 간격이 일정하게 유지될 수 있다. 이에 따라, 상기 제3 전도성 기판(70) 또는 상기 제1 전도성 기판(10)에 외력이 작용하는 경우에 조차, 전기적 쇼트에 의한 제품 손상이 예방될 수 있다.
이와는 다르게, 상기 제1 지지체(82) 또는 상기 제2 지지체(84)는 다공질의 절연성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 지지체(82) 또는 상기 제2 지지체(84)는 미세한 흡수공들(pores)(도시하지 않음)을 갖는 고분자 물질 또는 세라믹일 수 있다. 이러한 실시예들에 따르면, 전해질층(80)은 상기 제1 지지체(82) 또는 상기 제2 지지체(84)의 흡수공들을 채우면서 상기 촉매층(20)과 상기 제3 전도성 기판(70) 사이에 개재될 수 있다. 즉, 상기 전해질층(80)은 상기 제1 지지체(82) 또는 상기 제2 지지체(84)에 함침(impregnate)될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광전 변환부들(50)에서 전자를 잃은 이온들이 환원 과정이 일어나는 상기 촉매층(20)으로 확산될 수 있도록, 상기 제1 지지체(82)의 흡수공들은 연속적으로 연결될 수 있다.
도 8을 참조하면, 관통홀들(42)은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 실시예의 그것과는 다른 구조의 제2 전도성 기판(40)에 의해 제공될 수 있다. 이때, 상기 제2 전도성 기판(40)은 교차하면서 짜여진 와이어들(intercrossed and woven wires)을 포함하는 메쉬 구조체(mesh structure), 분말들이 서로 연결된 소결체(sintered structure), 다공질의 전도성 물질층 및 나노튜브(nanotube)를 포함하는 도전성막 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
도 8과 같이 변형된 실시예에 따르면, 상기 제2 전도성 기판(40)의 상면 또는 하면은 국소적으로 편평하지 않을 수 있다. 즉, 상기 제2 전도성 기판(40)의 두께는 위치에 따라 달라질 수 있으며, 이러한 두께의 불균일함은 제1 봉지재(30) 및 제2 봉지재(60) 사이에서도 나타날 수 있다. 이때, 전해질층(80)이 누출되는 것을 방지하기 위해, 상기 제1 봉지재(30) 및 상기 제2 봉지재(60)와 상기 제2 전도성 기판(40) 간에는 양호한 접착 특성을 가질 수 있다.
이에 더하여, 도 1, 도 4 내지 도 8에 도시된 것처럼, 상기 관통홀들(42)은, 상기 제1 봉지재(30) 및 상기 제2 봉지재(60) 사이에 개재되는, 상기 제2 전도성 기판(40)의 가장자리 영역에는 형성되지 않을 수 있다. 즉, 상기 제2 전도성 기판(40)의 가장자리 영역은 상기 관통홀들(42)이 없는 편평한 막일 수 있다. 이 경우, 상기 전해질층(80)의 외부 유출이 효과적으로 억제될 수 있다.
한편, 도시하지는 않았으나, 도 8에서 상기 촉매층(20)과 상기 제2 전도성 기판(40) 사이 또는 상기 제2 전도성 기판(40)과 상기 제3 전도성 기판(70) 중 적어도 한 곳에 상기 제1 지지체(82) 또는 상기 제2 지지체(84)가 더 배치될 수 있다.
또한, 상기 제3 전도성 기판(70)은 상기 전해질층(80)을 주입하기 위한 주입구(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 주입구는 상기 전해질층(80)이 형성된 후 밀봉된다.
이에 더하여, 도 4 내지 도 8에 있어서, 상기 제1 전도성 기판(10), 상기 제2 전도성 기판(40) 및 상기 제3 전도성 기판(70)의 두께 조절을 통해 도 2와 같이 유연성을 갖는 염료감응 태양전지를 제작할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예들에서는 상기 제1 봉지재(30)가 상기 촉매층(20)과 상기 제2 전도성 기판(40) 사이에 배치되는 것으로 설명하였으나, 이와는 다르게 상기 제1 봉지재(30)는 일측은 상기 제1 전도성 기판(10)과 접촉하고, 타측은 상기 제2 전도성 기판(40)과 접촉하여 상기 제1 전도성 기판(10)과 상기 제2 전도성 기판(40) 사이에 배치될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
10: 제1 전도성 기판 20: 촉매층
30: 제1 봉지재 40: 제2 전도성 기판
42: 관통홀 45: 돌출부
50: 광전 변환부 51: 제1 광전 변환부
52: 제2 광전 변환부 53: 제1 산화물 반도체 입자
54: 제1 염료 물질 55: 제2 산화물 반도체 입자
56: 제2 염료 물질 60: 제2 봉지재
70: 제3 전도성 기판 80: 전해질층
82: 제1 지지체 84: 제2 지지체
90: 와이어 95: 개구부
100: 염료감응 태양전지

Claims (12)

  1. 서로 대향된 제1 전도성 기판 및 제3 전도성 기판;
    상기 제3 전도성 기판과 대향되되, 적어도 하나의 관통홀들을 가지면서 상기 제1 전도성 기판과 상기 제3 전도성 기판 사이에 배치된 제2 전도성 기판;
    상기 제2 전도성 기판과 상기 제3 전도성 기판 사이에 배치되되, 상기 제3 전도성 기판과 접촉하는 제1 광전 변환부 및 상기 제2 전도성 기판과 접촉하는 제2 광전 변환부를 포함하는 광전 변환부;
    상기 제2 전도성 기판과 이격되어 상기 제1 전도성 기판 상에 배치된 촉매층; 및
    상기 촉매층과 상기 제3 전도성 기판 사이에 개재된 전해질층을 포함하는 염료감응 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전 변환부는 산화물 반도체 입자들 및 상기 산화물 반도체 입자들에 흡착되고, 상기 제1 광전 변환부와 상기 제2 광전 변환부에서 흡수하는 스펙트럼의 분포가 서로 다른 염료 물질들을 포함하는 염료감응 태양전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 염료 물질들은 Ruthenium 535-bisTBA(N719), Ruthenium 620-1H3TBA(Black dye), 유기 염료, 양자점 또는 자연 염료 중 적어도 하나인 염료감응 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전도성 기판은 상기 관통홀들 이외의 영역에서 균일한 두께를 가지는 금속 박막 또는 금속 호일인 염료감응 태양전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 전도성 기판은 그 상면 또는 그 하면 중 적어도 하나로부터 연장되는 적어도 하나의 돌출부를 더 포함하는 염료감응 태양전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전도성 기판은 교차하면서 짜여진 와이어들을 포함하는 메쉬 구조체(mesh structure), 분말들이 서로 연결된 소결체(sintered structure), 다공질의 전도성 물질층 및 나노튜브를 포함하는 도전성막 중 적어도 하나인 염료감응 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전도성 기판과 상기 제3 전도성 기판은 전기적으로 연결되는 염료감응 태양전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전도성 기판, 상기 제2 전도성 기판 및 상기 제3 전도성 기판은 연성(flexible)인 염료감응 태양전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 전도성 기판은 투명 전도성 물질로 형성되는 염료감응 태양전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매층과 상기 제2 전도성 기판 사이 또는 상기 제2 전도성 기판과 상기 제3 전도성 기판 사이 중 적어도 한 곳에 배치되는 절연성 지지체를 더 포함하는 염료감응 태양전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 절연성 지지체는 다공질 절연성 물질을 포함하고, 상기 전해질층은 상기 다공질 절연성 물질의 절연성 지지체에 함침되는 염료감응 태양전지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판 사이의 가장자리에 배치되는 제1 봉지재; 및
    상기 제2 전도성 기판 상의 가장자리에 배치되는 제2 봉지재를 더 포함하되,
    상기 관통홀들은 상기 제1 봉지재 및 상기 제2 봉지재 사이의 영역을 제외한 상기 제2 전도성 기판 내에 형성되는 염료감응 태양전지.
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