밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템과 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템을 제조하는 방법 document_id A220623108802

모노리식 광-전자화학 시스템은 해당 기술분야에서 알려져 있다. 모노리식 광-전자화학 시스템은 작용 전극(working electrode, 이하 "작용 전극" 이라 함)과 대향 전극(counter electrode, 이하 "대향 전극" 이라 함)이 하나의 통합 몸체에 조립되어 있는 전자화학 시스템이다. 작용 전극과 대향 전극은 다공성 절연 물질의 중간층에 의해 분리된다. 작용 전극과 대향 전극은 다공성 구조로 만들어지며 그리고 전해질(electrolyte)이 상기 다공성 구조 내에 적어도 부분적으로 충전되어 모노리식 구조가 되는바, 이는 작용 전극을 형성하는 소정층, 대향 전극을 형성하는 소정층 그리고 작용 전극과 대향 전극을 분리하는 절연층을 포함한다. 모노리식 광-전자화학 시스템의 초기 일례는 PCT 특허출원(공개번호 WO97/16838)에 개시되어 있는바, 상기 초기 사례는 광전지 셀(photovoltaic cell) 배터리에 관한 것이며, 이는 직렬 연결된 다수의 광전지 셀들의 모노리식 조립체를 포함한다. 통상적인 광-전자화학 시스템은 제 1 전극이 마련된 제 1 기판과 제 2 전극이 마련된 제 2 기판을 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 기판은 서로 마주보도록 위치하되 이들 사이에는 작은 간격(gap : 이하, "간격" 또는 "갭" 이라 함)이 존재한다. 상기 간격을 원하는 범위내의 크기로 만들기 위해서, 스페이서가 이용되어 이들 기판들을 소정 거리만큼 이격시킬 수 있다. 상기 시스템은 제 1 및 제 2 기판의 에지들(edges)에서 밀폐되며 전기적으로 연결된 인접 셀들 사이에서 밀폐되는바, 이는 셀들 사이에서 전해질(electrolyte)이 접촉하는 것을 방지하기 위함이다. 시스템의 전체 활성 영역(전극들의 완성 영역 위에 있는)에 대해서 균일한 특성들을 갖는 광-전자화학 시스템을 제조하기 위해서는, 전극들 간의 거리를 좁게 유지하는 것이 필수적인바, 이는 제품 제조를 어렵게 만든다. 인접한 셀들 사이에서 전해질이 접촉하는 것을 방지하기 위해서는, 상기 2개의 기판들의 수평 위치제어가 매우 높은 정밀도로 수행되어야만 하는바, 이 역시 제품 제조를 어렵게 만든다. 이러한 종래의 bilithic 유형의 광-전자화학 시스템의 또 다른 단점은, 시스템의 조립이 끝난 후에 통상적으로 전해질이 주입되어야만 한다는 점이다. 전해질이 주입되는 통로의 입구는, 전해질이 새는 것을 방지하고 그리고 예컨대 셀 안으로 물이 침투하는 것을 방지하기 위해서, 전해질이 주입된 이후에 양호하게 밀폐되어야만 한다. 각각의 셀들마다 별도의 입구가 필요하므로, 많은 셀들을 갖는 시스템의 경우에는 많은 수의 입구들이 필요하며, 따라서 제품 제조가 어려워진다. 좁은 통로를 통해, 기판들 사이의 본질적으로는 닫힌 공간 속으로 전해질을 주입한다는 것은, 시스템 내에서 에어 포켓(air pocket)이 발생하는 것을 야기할 수도 있으며 또는 전해질의 불균일한 분포를 야기할 수도 있는바, 이들 모두는 시스템의 품질을 열화시킨다. 도시된 모노리식 전자화학 시스템은 매우 컴팩트하고 간단한 디자인을 제공하는바, 여기서는 제 2 기판으로부터 소정 거리에 위치한 제 1 기판이 없이도 전자화학 시스템이 형성될 수 있다. 이러한 경우, 기판에 적용되는 다층 구조에 의해 전자화학 시스템이 구성될 수 있으며, 이 이후에 상기 전자화학 시스템이 폐쇄된다. 광 흡수 염료 및 전해질은 전자화학 시스템을 폐쇄하기 전에 주입되는 것이 바람직하다. 상기 구조는, 적어도 하나의 폴리머층을 포함하는 구부릴 수 있는 시트에 의해서 적절하게 폐쇄될 수 있는바, 이는 바람직하게는 대기압 이하 압력(sub-atmospheric pressure)과 열의 존재하에서 상기 구조에 적용된다. 모노리식 광-전자화학 시스템들에 대한 실험들에 의하면, 전자화학 셀들이 동일한 기판상에서 동시에 제조되는 경우에도, 이들 셀들이 소정 범위 내에서 동일한 특성(들)을 갖도록, 모노리식 광-전자화학 셀들의 어레이를 기판상에 제조하기는 어려운 것으로 알려졌다. 하나의 광-전자화학 셀은 그것의 전류-전압 특성에 의해 특징될 수 있다. 셀의 전류-전압 특성은 빛의 세기 및 빛의 스펙트럼에 따라 변한다. 광-전자화학 셀의 전류-전압 특성들을 기술할 수 있는 중요한 데이터는 단락-회로 전류(short-circuit current : Isc), 개방-회로 전압(open-circuit voltage : Uoc) 및 최대 전력 포인트(Pmax) 인데, 최대 전력 포인트는 측정에 이용되었던 특정한 광 조건들하에서 전자화학 셀이 산출해낼 수 있는 최대 에너지 출력이다. 커브 ff = Pmax / (Uoc * Isc)를 설명하기 위해서 필-팩터(fill-factor : ff) 항이 종종 이용된다. 공통 기판 상에 배치되는 개별 셀들의 전류-전압 특성들에서의 차이를 감소시키기 위해서, 제조 요건들은 고품질의 화학 성분들의 순도, 고품질의 제조 환경 및 제조 공정을 좀더 엄격하게 요구하는 경향이 있다. 이러한 기준들은 제조 비용의 상승을 야기한다. 중요한 일례는, 작용 전극, 절연층, 그리고 대향 전극을 형성함에 있어 완벽한 제어를 할 필요성에 관한 것인데, 이는 대향 전극이 절연층을 부분적으로 관통하여 작용 전극과 접촉하게 되는 것이나 및/또는 기판 상의 중간 전도층과 접촉하게 되는 것을 방지하기 위함인바, 왜나하면 이러한 점은 에너지 손실을 야기하며 따라서 공통 기판상의 개별 셀들의 전류-전압 특성들의 변동을 야기하기 때문이다. 작용 전극과 대향 전극 사이에서 산화환원 쌍(redox-couple)을 함유한 전해질의 확산은 얇은 절연 스페이서층에 의해 단순화되기 때문에, 최적의 셀 성능을 얻기 위하여 이러한 얇은 절연 스페이서층이 요구되는 경우에는 이런 현상이 좀더 심각해진다. 모노리식 광-전자화학 시스템의 다공성 대향 전극은, 1) 대향 전극을 통해 전자가 운송되는 동안에 에너지 손실을 회피하기 위해서 양호한 전기 전도체가 되어야만 하며, 2) 전해질의 산화환원 쌍에 대해서 양호한 촉매성을 가져야 하며, 3) 기판 상의 중간 전도층에 대해 양호한 접착성을 가져야 한다. 모노리식 광-전자화학 시스템에 대한 실험들에 의하면, 이들 3개의 특성들을 하나의 대향 전극 물질에 결합시키는 것은 용이하지 않다고 알려져 있다. 이들 3개의 특성들을 하나의 다공성 대향 전극 물질에 결합시키고자 하는 경우, 이들 3개의 특성들 중 적어도 하나는 항상 불충분하게 구현되었는바, 이는 에너지 손실을 야기하고 따라서 모노리식 광-전자화학 시스템의 효율을 감소시킨다. 모노리식 광-전자화학 시스템의 전극들은, 예컨대 스크린-프린팅 공정에서 페이스트들(pastes)의 선택적인 퇴적(deposition)을 통해 일반적으로 형성되며, 이후 페이스트의 유기 잔류물들을 날려버리고 다공성 전극들의 입자들 사이에서 전기적인 콘택을 형성하기 위해서 상기 전극들은 소결된다. 종래기술에서는 전극층들이 증착된 다음에 하나의 소결 공정에서 상기 과정이 수행되었다. 모노리식 광-전자화학 시스템에 대한 실험들은, 작용 전극과 대향 전극의 특성들이 소결 온도에 좌우됨을 보여주며 서로 다른 층들은 서로 다른 최적 소결 온도를 가짐을 보여주고 있다.