KR101633383B1 - Photo-electrode for Photoelectronchemical cell, method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 기판; 상기 기판 상부에 구비되는 투명전극;상기 투명전극 상부에 구비되며, 복수개의 플러렌(fullerene)으로 연결된 흑연성 탄소(graphitic)를 포함하는 버퍼층(buffer layer); 및 상기 버퍼층 상부에 구비된 반도체층;을 포함하는 광전기화학전지용 광전극을 제공한다. 본 발명에 따른 버퍼층을 구비시킨 광전기화학전지용 광전극을 제공함으로써, 광전극에서 생성된 전하를 빠르게 선택적으로 분리 및 이동시킬 수 있어 향상된 태양광-수소 전환 효율을 얻을 수 있다. The present invention provides a semiconductor device comprising: a substrate; A transparent electrode provided on the substrate; a buffer layer provided on the transparent electrode and including graphitic carbon connected to a plurality of fullerenes; And a semiconductor layer provided on the buffer layer. The present invention also provides a photoelectrode for a photoelectrochemical cell. By providing the photoelectrode for a photoelectrochemical cell having the buffer layer according to the present invention, the charge generated in the photoelectrode can be selectively separated and moved, thereby achieving an improved solar-to-hydrogen conversion efficiency.
Description
본 발명은 광전기화학전지용 광전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a photoelectrode for a photoelectrochemical cell and a method of manufacturing the same.
현재 에너지 문제와 환경 문제를 해결하기 위한 많은 연구들이 세계 곳곳에서 활발하게 진행되고 있다. 그 중에서 신재생에너지 개발에 대한 연구가 단연 압도적인데, 신재생에너지는 부족한 화석연료를 대체할 수 있는 지속재생가능한 에너지원으로서, 청정한 에너지 공급시스템으로 에너지 문제와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있을 것으로 전망되고 있다. 태양에너지, 풍력에너지, 지열에너지, 해양에너지, 바이오매스에너지, 수소에너지와 같은 신재생에너지원들이 효과적으로 생산되고 소비될 수 있는 시스템을 개발하기 위해서 정부와 기업들이 신재생에너지 시스템 연구에 많은 연구가 진행중이다.
Currently, many studies are being actively conducted around the world to solve energy and environmental problems. Among them, research on the development of new and renewable energy is overwhelming. New and renewable energy is a sustainable renewable energy source that can replace fossil fuels. It will be able to solve energy and environmental problems simultaneously with a clean energy supply system. . In order to develop a system in which new and renewable energy sources such as solar energy, wind energy, geothermal energy, marine energy, biomass energy and hydrogen energy can be effectively produced and consumed, Is in progress.
신재생에너지 중에서도 특히, 수소에너지(H2)는 풍부한 자원인 물(H2O)로부터 생산될 수 있어 지속가능하며, 연료로 사용 후에는 다시 물이 되므로 재생이 가능하다. 또한, 연소 시에 온실가스인 이산화탄소뿐만 아니라 황산가스(SOx), 질산가스(NOx), 분진 등과 같은 대기오염의 원인이 되는 물질들을 배출하지 않기 때문에 친환경적이다.Among new renewable energy in particular, and can be produced from sustainable energy hydrogen (H 2) is water (H 2 O) rich in resources, after use in the fuel is capable of reproduction because the water again. In addition, it is eco-friendly because it does not emit not only carbon dioxide, which is a greenhouse gas, but also substances causing air pollution such as sulfuric acid gas (SO x ), nitric acid gas (NO x ), dust,
에너지밀도가 높아 같은 양의 다른 에너지원보다 훨씬 더 많은 에너지량을 얻을 수 있으며, 고압가스 또는 액체수소 형태로 이동시키기 쉽고, 수소저장합금 등을 이용하여 저장하기도 용이하다. 그래서 현재는 산업 전반에 걸쳐서 기초소재부터 수소자동차, 연료전지, 로켓연료 등에 이르기까지 여러 분야에서 이용되고 있으며 신재생에너지원으로서 사회적으로 큰 관심을 받고 있다.
It is possible to obtain much more energy than other energy sources of the same amount because it has a high energy density and is easy to move in the form of high-pressure gas or liquid hydrogen, and it is also easy to store using a hydrogen storage alloy or the like. Therefore, it is being used in various fields from basic materials to hydrogen cars, fuel cells, rocket fuels, etc. throughout the industry and it is receiving great social interest as a renewable energy source.
물의 전기분해는 아주 간단하고 신뢰성이 높으며 수소에너지의 대량 생산이 가능하다는 장점이 있지만, 물의 전기분해 시 사용되는 전기에너지의 비용이 높아 고가의 수소에너지를 생산한다.Although electrolysis of water is very simple and reliable, and it has the advantage of mass production of hydrogen energy, the cost of electric energy used in the electrolysis of water is high and produces expensive hydrogen energy.
따라서 저렴한 비용으로 물을 효과적으로 분해하기 위해 태양광에너지를 이용한 광전기효과를 사용하는 수소생산방법이 고안되었다.Therefore, a hydrogen production method using a photovoltaic effect using solar energy has been devised to effectively decompose water at low cost.
광전기화학셀(Photoelectrochemical Cell)을 이용한 물 분해(Water Splitting) 방법은 1972년 도쿄대의 Fujishima교수와 Honda교수가 TiO2로 광자(photon)를 이용한 물의 분해반응에 대하여 보고한 이래 수십여 년 동안 연구가 진행되어 왔다. The water splitting method using photoelectrochemical cell was reported by Professor Fujishima and Professor Honda of Tokyo University in 1972 on the decomposition reaction of water using photon with TiO 2 . It has been progressed.
광전기화학적으로 수소를 생산하는 기술은 태양전지(Solar Cell) 시스템의 목적과 유사하지만, 광자에 의해 발생한 전자정공쌍(Electron-Hole Pair; EHP)이 전기 생산을 유도하는 것이 아니라 물의 산화환원반응을 통하여 수소기체와 산소기체의 발생을 유도한다는 것에 차이가 있다.
Photochemically, the technology to produce hydrogen chemically is similar to that of a solar cell system, but the electron-hole pair (EHP) generated by the photon induces the redox reaction of water And the generation of hydrogen gas and oxygen gas is induced through the hydrogen gas.
위와 같이 광전기화학셀(PEC Cell)을 이용한 물분해를 통해서 무한한 태양광에너지와 지구의 풍부한 자원인 물을 이용하여 지속재생가능하고 청정한 시스템으로 수소에너지를 생산해낼 수 있다. 또한, 광전기화학셀을 이용한 물분해는 수소에너지와 더불어 산소를 생산하므로, 유기물분해와 정화작용에 이용할 수가 있으며, 오존으로 합성하여 적합한 곳에 응용도 가능하다.
Through the decomposition of water using PEC Cells as described above, hydrogen energy can be produced by using renewable and clean system using infinite solar energy and earth's abundant resources. In addition, water decomposition using a photoelectrochemical cell produces oxygen as well as hydrogen energy, so it can be used for decomposition and purification of organic matter, and it can be applied to a suitable place by synthesis with ozone.
광전기화학전지는 널리 알려진 태양전지와 메카니즘은 유사하지만 광전기화학전지의 경우는, 전자의 이동이 전기 생산을 유도하지 않고 직접 물의 환원에 의한 수소생산에 활용한다는 차이가 있다. Photoelectrochemical cells are similar in mechanism to widely known solar cells, but in the case of photoelectrochemical cells, there is a difference in that the movement of electrons is used to produce hydrogen by direct water reduction without inducing electricity production.
광전기화학전지를 구성하는 반도체산화물을 포함한 광전극은, 태양광을 흡수하여 전자-홀의 엑시톤(exciton)을 형성하며 상대전극과는 외부회로로 연결되어 있다. 두 전극은 수용액 전해질과 접촉하게 되어 있으며, 두 전극에서는 각각 물의 산화와 환원반응이 일어나게 되어 산소와 수소를 생산하게 된다. 만약 광전극이 n-type 반도체일 경우, 광전극에서는 산화반응으로 산소가, 상대전극에서는 환원반응이 유발되어 수소가 발생하게 된다. 만약 광전극이 p-type 반도체일 경우, 그 반대의 반응이 일어난다. 광전기화학 물분해 방법은 태양전지와 물분해 전해조를 동시에 사용해야 하는 기존의 고비용 시스템을 사용하지 않고 수소에너지를 제조할 수 있는 방법이다.
A photoelectrode including a semiconductor oxide constituting a photoelectric chemical cell absorbs sunlight to form an exciton of an electron-hole, and is connected to an external electrode through an external circuit. The two electrodes are in contact with the aqueous electrolyte, and the oxidation and reduction reactions of water are produced at the two electrodes, respectively, to produce oxygen and hydrogen. If the photoelectrode is an n-type semiconductor, oxygen is generated in the oxidation reaction and reduction reaction is generated in the photoelectrode, thereby generating hydrogen. If the photoelectrode is a p-type semiconductor, the opposite reaction occurs. The photoelectrochemical decomposition method is a method of manufacturing hydrogen energy without using a conventional high-cost system which requires simultaneous use of a solar cell and a water decomposition electrolytic cell.
일반적으로 물분해 에너지(1.23 eV) 이상의 밴드갭을 갖는 무기 반도체를 이용하여 광전기화학 물분해 셀을 제조할 수 있으나 TiO2 , WO3 와 같은 단층 무기물로 제조된 셀의 경우, UV파장을 주로 흡수하기 때문에 태양광-수소 전환 효율이 1% 미만으로 매우 낮다. 주로 밴드갭이 2.5 eV 이상인 SrTiO3, TiO2, WO3 등이 주된 재료로 사용되고 있으나, 밴드갭이 2.5 eV 이상인 재료들은 주로 태양광의 4% 미만을 차지하는 자외선 파장 흡수하여 홀과 전자를 만들어 내기 때문에 태양-수소 에너지전환 효율이 매우 낮아 경제적이지 못하다.Generally, photoelectrochemical degradation cells can be fabricated by using an inorganic semiconductor having a band gap of 1.23 eV or more. However , in the case of a cell made of a single-layer inorganic material such as TiO 2 and WO 3 , , The solar-to-hydrogen conversion efficiency is as low as less than 1%. SrTiO 3 , TiO 2 , and WO 3 , which have a bandgap of 2.5 eV or more, are mainly used. However, materials with a band gap of 2.5 eV or more mainly absorb holes and electrons by absorbing ultraviolet wavelengths of less than 4% Solar - hydrogen energy conversion efficiency is very low and not economical.
또한 생성된 전자/홀 쌍이 빠르게 재조합되고 역반응이 쉽게 일어나며 가시광선에 의한 무기 반도체의 활성화가 낮다는 문제점이 있다.
Also, the generated electron / hole pairs are rapidly recombined, the reverse reaction easily occurs, and the activation of the inorganic semiconductor by visible light is low.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 대한민국 공개특허 제 10-2014-0119314호에서는, TiO2 나노 튜브; 및 상기 TiO2 나노 튜브의 표면에 코팅된 TiO2 층을 포함하는 광전기화학전지용 광전극에 대하여 개시한 바 있으며, 수소 변환 효율이 개선된 광전극을 제공하였다. 상기 TiO2 나노튜브 형태는 빛의 산란을 증가시켜 빛의 흡수율을 높을 수 있을 뿐만 아니라, 전자들이 자유로운 상태로더 오래 있을수 있기 때문에 기존의 박막형의 TiO2 보다 효율이 약 5배 정도 높은 특징이 있다.
In order to solve the above problems, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2014-0119314 discloses a TiO 2 nanotube; And a TiO 2 layer coated on the surface of the TiO 2 nanotube. The present invention provides a photoelectrode having improved hydrogen conversion efficiency. The TiO 2 nanotube type is characterized in that the efficiency of light absorption is increased by increasing light scattering, and the efficiency is about 5 times higher than that of the conventional thin film type TiO 2 because electrons can stay in a free state for a long time.
또한 미국등록특허 제6936143호에는 광전기화학전지용 광전극으로서, 전도성 기판(F-doped tin oxide)의 양면에 WO3 또는 Fe2O3 와 같은 광활성이 있는 산화물층과 염료 감응형 TiO2 층을 직렬로 연결하여 이와 접촉하고 있는 수용액 전해질을 분해함으로써 수소를 생성시키는 방법이 개시된 바 있다.
In addition, U.S. Patent No. 6936143 discloses a photo-electrode for a photoelectrochemical cell comprising a photoactive oxide layer such as WO 3 or Fe 2 O 3 and a dye-sensitized TiO 2 layer on both sides of a conductive substrate (F-doped tin oxide) And decomposing the aqueous electrolyte in contact therewith to generate hydrogen.
또한, 대한민국 공개특허 제10-2011-0107112호에서는 산화물 나노입자를 분산시킨 후 이스트 또는 잉크로 제조하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 제조된 산화물 나노입자 페이스트 또는 잉크로 일면이 광전극으로 구성된 전도성 기판의 또 다른 일면에 코팅막을 형성시키는 단계(단계 2); 및 상기 단계 3에서 형성된 코팅막을 저온 열처리하는 단계(단계 3)를 포함하는 광전기화학전지용 산화전극 촉매막의 제조방법에 관해 개시된바 있다. 상기 광전기화학전지는 전도성 기판의 일면에 촉매막을 제조하여 광전극-촉매막의 일체형으로 구성할 수 있고, 산화물 나노입자를 전도성 기판에 간단하게 코팅시킬 수 있으며, 저온 열처리로 제조하여 광전극의 물성변화를 일으키지 않고 수소 또는 산소의 발생속도를 향상시키므로, 광전기화학전지용 산화전극 촉매막으로 유용하게 이용할 수 있는 장점이 있다.
Korean Patent Laid-Open No. 10-2011-0107112 discloses a method for producing oxide nanoparticles by dispersing oxide nanoparticles into yeast or ink (step 1); (Step 2) of forming a coating film on the other surface of the conductive substrate composed of the oxide nano-particle paste or ink, the conductive substrate having one side made of the photo-electrode; And a step of subjecting the coating film formed in the
이에 본 발명자들은, 태양-수소 에너지전환 효율을 향상시키기 위해 연구하던 중, 복수개의 플러렌(fullerene)으로 연결된 흑연성 탄소(graphitic carbon)를 포함한 버퍼층을 구비시킨 광전기화학전지용 광전극을 개발하여 태양광-수소 전환 효율이 향상됨을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the inventors of the present invention developed a photoelectrode for a photoelectrochemical cell having a buffer layer containing graphitic carbon connected with a plurality of fullerenes while studying to improve the solar-hydrogen energy conversion efficiency, - the hydrogen conversion efficiency is improved, and the present invention has been completed.
본 발명의 목적은 광전기화학전지용 광전극 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
It is an object of the present invention to provide a photoelectrode for a photoelectrochemical cell and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위해,In order to achieve the above object,
본 발명은The present invention
기판;Board;
상기 기판 상부에 구비되는 투명전극;A transparent electrode provided on the substrate;
상기 투명전극 상부에 구비되며, 복수개의 플러렌(fullerene)이 연결된 흑연성 탄소(graphitic carbon)를 포함하는 버퍼층(buffer layer); 및A buffer layer disposed on the transparent electrode, the buffer layer including graphitic carbon having a plurality of fullerenes connected thereto; And
상기 버퍼층 상부에 구비된 반도체층;을 포함하는 광전기화학전지용 광전극을 제공한다.
And a semiconductor layer provided on the buffer layer.
또한 본 발명은,Further, according to the present invention,
투명전극 상부에 플러렌과 유기용매의 혼합용액을 코팅한 후, 이를 열처리하여 버퍼층을 형성하는 단계(단계 1); 및 Coating a mixed solution of fullerene and an organic solvent on the upper portion of the transparent electrode, and then heat-treating the mixed solution to form a buffer layer (Step 1); And
상기 버퍼층 상부에 반도체 산화물 용액을 코팅한 후, 열처리하여 반도체층을 형성하는 단계(단계 2);를 포함하는 광전기화학전지용 광전극의 제조방법을 제공한다.
And forming a semiconductor layer by coating a semiconductor oxide solution on the buffer layer and then performing a heat treatment on the buffer layer to form a photoelectrode for a photoelectrochemical cell.
나아가 본 발명은,Further,
상기 제조방법을 통해 제조되는 광전극; 기준전극; 상대전극; 및 전해질;을 포함하되, An optical electrode manufactured through the above manufacturing method; A reference electrode; A counter electrode; And an electrolyte,
상기 광전극과 상대전극이 전기적으로 연결된 광전기화학전지를 제공한다.
And the photoelectrode and the counter electrode are electrically connected to each other.
본 발명에 따른 부분적으로 복수개의 플러렌(fullerene)으로 연결된 흑연성 탄소(graphitic)를 포함하는 버퍼층을 구비시킨 광전기화학전지용 광전극을 제공함으로써, 광전극에서 생성된 전하를 빠르게 선택적으로 분리 및 이동시킬 수 있어 향상된 태양광-수소 전환 효율을 얻을 수 있다. By providing a photoelectrode for a photoelectrochemical cell having a buffer layer comprising graphitic connected in part by a plurality of fullerenes according to the present invention, it is possible to rapidly and selectively remove and transfer the charge generated in the photoelectrode So that an improved solar-to-hydrogen conversion efficiency can be obtained.
또한, 본 발명에 따른 광전기화학전지용 광전극의 제조방법은 탄소나노튜브(carbon nanotube)나 그래핀(graphene)과 같은 다른 탄소계 소재에 비해 손쉽게 제작이 가능하고, 균일한 대면적의 광전극을 제조하는데 있어서 더욱 용이하다.In addition, the manufacturing method of the photoelectrode for the photoelectrochemical battery according to the present invention can be easily manufactured compared to other carbon-based materials such as carbon nanotube and graphene, It is easier to manufacture.
도 1은 실시예 3 및 비교예 3에서 제조된 광전극을 X-선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD)한 결과를 나타낸 그래프이고;
도 2는 본 발명에 따른 버퍼층을 소성 전과 후의 X-선 회절분석한 결과를 나타낸 그래프이고;
도 3은 실시예 3 및 비교예 3에서 제조된 광전극을 해상도 투과전자현미경(High resolution scanning transmission electron microscopy, HR-STEM)을 통해 관찰한 사진이고;
도 4는 비교예 3에서 제조된 광전극의 단면을 주사전자현미경(Field emission scanning electron microscope, FE-SEM)을 통해 관찰한 사진이고;
도 5는 비교예 3 및 실시예 3에서 제조된 광전극의 라만 스펙트럼(Raman spectrum)을 나타낸 것이고;
도 6은 플러렌을 소성하기 전과 후의 라만 스펙트럼을 나타낸 것이고;
도 7은 본 발명에 따른 광전극을 포함한 광전기화학전지의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 8은 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5에서 제조된 광전극을 포함한 광전기화학전지를 사용하여 솔라 시뮬레이터(solar simulator)로 측정한 결과를 나타낸 그래프이고;
도 9는 실시예 1, 6, 7 및 비교예 6, 7에서 제조한 광전극을 포함한 광전지화학전지를 사용하여 솔라 시뮬레이터로 측정한 결과를 나타낸 그래프이고;
도 10은 실시예 3 및 비교예 3에서 제조된 광전극의 광발광(Photoluminescence) 및 시분해 광발광(time-resolved photoluminescence)분석한 결과를 나타낸 그래프이고;
도 11은 실시예 3 및 비교예 3에서 제조된 광전극을 광 조건에 따른 광전도 원자현미경(Photoconductive-AFM)을 통해 관찰한 사진이고;
도 12는 실시예 3 및 비교예 3에서 제조된 광전극을 전기 화학 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 통해 분석한 결과를 나타낸 그래프이고;
도 13(a)는 종래의 광전기화학전지용 광전극을 나타낸 모식도이고, 도 13(b)는 본 발명에 따른 광전기화학전지용 광전극을 개략적으로 나타낸 모식도이다.1 is a graph showing the results of X-ray diffraction (XRD) of the photoelectrode prepared in Example 3 and Comparative Example 3;
2 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of the buffer layer according to the present invention before and after firing;
FIG. 3 is a photograph of the photoelectrode prepared in Example 3 and Comparative Example 3 through a high resolution scanning transmission electron microscopy (HR-STEM); FIG.
4 is a photograph of a section of the photoelectrode prepared in Comparative Example 3 through a field emission scanning electron microscope (FE-SEM);
5 shows the Raman spectrum of the photoelectrode prepared in Comparative Example 3 and Example 3;
6 shows Raman spectrum before and after firing of fullerene;
7 is a schematic view schematically showing the structure of a photoelectrochemical cell including a photoelectrode according to the present invention;
8 is a graph showing the results of a solar simulator using photoelectrochemical cells including the photoelectrode manufactured in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5;
9 is a graph showing a result of a solar simulator using photovoltaic cells including the photoelectrode manufactured in Examples 1, 6, 7 and Comparative Examples 6 and 7;
10 is a graph showing the results of photoluminescence and time-resolved photoluminescence analysis of the photoelectrode prepared in Example 3 and Comparative Example 3;
11 is a photograph of the photoelectrode prepared in Example 3 and Comparative Example 3 through a photoconductive atomic force microscope (AFM) according to light conditions;
12 is a graph showing the results of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis of the photoelectrodes prepared in Example 3 and Comparative Example 3;
13 (a) is a schematic view showing a photoelectrode for a conventional photoelectric chemical cell, and FIG. 13 (b) is a schematic diagram schematically showing a photoelectrode for a photoelectrochemical cell according to the present invention.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은,According to the present invention,
기판;Board;
상기 기판 상부에 구비되는 투명전극;A transparent electrode provided on the substrate;
상기 투명전극 상부에 구비되며, 복수개의 플러렌(fullerene)으로 연결된 흑연성 탄소(graphitic carbon)를 포함하는 버퍼층(buffer layer); 및A buffer layer provided on the transparent electrode and including graphitic carbon connected with a plurality of fullerenes; And
상기 버퍼층 상부에 구비된 반도체 산화물층;을 포함하는 광전기화학전지용 광전극을 제공한다.
And a semiconductor oxide layer provided on the buffer layer.
이하, 본 발명에 따른 광전기화학전지용 광전극에 대해 상세히 설명한다.
Hereinafter, a photoelectrode for a photoelectrochemical cell according to the present invention will be described in detail.
일반적으로 광전기화학전지는, 반도체산화물이 태양광을 흡수하여 전자-홀의 엑시톤을 형성하는 광전극과, 상기 광전극과 외부회로로 연결된 상대전극으로 구성되어 있으며, 이 두 전극은 수용액 전해질과 접촉하게 되어 있고, 두 전극에서는 각각 물의 산화와 환원반응이 일어나게 되어 산소와 수소를 생산하게 된다. Generally, a photoelectric chemical cell is composed of a photoelectrode where a semiconductor oxide absorbs sunlight to form an exciton of an electron-hole, and a counter electrode connected to the photoelectrode by an external circuit. These two electrodes are in contact with an aqueous electrolyte And the oxidation and reduction reactions of water occur at the two electrodes, respectively, to produce oxygen and hydrogen.
일반적으로 물분해 에너지(1.23 eV) 이상의 밴드갭을 갖는 무기 반도체를 이용하여 광전기화학 물분해 셀을 제조할 수 있으나 TiO2 , WO3 와 같은 단층 무기물로 제조된 셀의 경우, 자외선(UV)파장을 주로 흡수하기 때문에 태양광-수소 전환 효율이 1% 미만으로 매우 낮다. 밴드갭이 2.5 eV 이상인 SrTiO3, TiO2, WO3 등이 주된 재료로 사용되고 있으나, 이와 같은 밴드갭이 2.5 eV 이상인 재료들은 주로 태양광의 4% 미만을 차지하는 자외선 파장 흡수하여 홀과 전자를 만들어 내기 때문에, 태양-수소 에너지전환 효율이 매우 낮아 경제적이지 못하다. 또한 생성된 전자/홀 쌍이 빠르게 재조합되고 역반응이 쉽게 일어나며 가시광선에 의한 무기 반도체의 활성화가 낮다는 문제점이 있다.
In general, a photoacid decomposition cell can be fabricated using an inorganic semiconductor having a band gap of 1.23 eV or more. However , in the case of a cell made of a single-layer inorganic material such as TiO 2 and WO 3 , an ultraviolet (UV) wavelength , The solar-to-hydrogen conversion efficiency is as low as less than 1%. SrTiO 3 , TiO 2 , and WO 3 with a bandgap of 2.5 eV or more are mainly used. However, materials having a band gap of 2.5 eV or more absorb ultraviolet light, which occupies less than 4% of the sunlight, Therefore, the solar-to-hydrogen energy conversion efficiency is very low, which is not economical. Also, the generated electron / hole pairs are rapidly recombined, the reverse reaction easily occurs, and the activation of the inorganic semiconductor by visible light is low.
따라서 태양-수소 에너지전환 효율을 향상시키기 위해, 본 발명에서는 반도체 산화물층과 전도성 투명전극 사이에 복수개의 플러렌으로 연결된 흑연성 탄소를 포함하는 버퍼층을 구비시킨 광전기화학전지용 광전극을 제공하며, 상기 버퍼층의 전자 친화도 및 정공 이동에 대한 블록 특성으로 인해 광전극에서 생성된 전하를 빠르게 선택적으로 분리/이동시킬 수 있고, 특히 광전극 벌크 내부에서 생성된 전하들의 재결합을 막게 되어 향상된 태양광-수소 전환 효율을 얻을 수 있다.
Accordingly, in order to improve the solar-to-hydrogen energy conversion efficiency, the present invention provides a photoelectrode for a photoelectrochemical cell having a buffer layer comprising graphite carbon connected between a semiconductor oxide layer and a conductive transparent electrode by a plurality of fullerenes, The charge generated in the photoelectrode can be selectively separated / moved due to the electron affinity of the hole transporting layer and the block characteristic of the hole transport, and in particular, the recombination of the charges generated inside the photoelectrode bulk is prevented, Efficiency can be obtained.
이때, 상기 기판은 유리, 티타늄, 니켈 및 몰리브데늄등을 사용할 수 있으며, 상기 기판 상부에 구비되는 상기 투명전극은 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al;), 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide), 산화아연(ZnO), 황화아연(ZnS), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al) 및 불소함유 산화주석(FTO: Fluorine-doped tin oxide)을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
At this time, the substrate may be made of glass, titanium, nickel, molybdenum, or the like, and the transparent electrode provided on the substrate may be made of aluminum-zinc oxide (AZO) indium tin oxide (ITO; indium-tin oxide) , zinc oxide (ZnO), zinc sulfide (ZnS), aluminum tin oxide (ATO; Aluminium-tin oxide; SnO 2: Al) and fluorine-containing tin oxide (FTO: Fluorine- doped tin oxide) may be used, but the present invention is not limited thereto.
또한, 상기 버퍼층(buffer layer) 상부에 구비되는 반도체 산화물은 금속산화물을 사용할 수 있으며, 구체적으로는 TiO2, Ga2O3, In2O3, ZnO, Nb2O5, WO3, Sn0, SnO2 및 MgO등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
In addition, the semiconductor oxide provided on the buffer layer may be a metal oxide. Examples of the oxide include TiO 2 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , ZnO, Nb 2 O 5 , WO 3 , SnO, SnO 2 , MgO, or the like may be used, but the present invention is not limited thereto.
또한 본 발명은,Further, according to the present invention,
투명전극 상부에 플러렌과 유기용매의 혼합용액을 코팅한 후, 이를 열처리하여 버퍼층을 형성하는 단계(단계 1); 및 Coating a mixed solution of fullerene and an organic solvent on the upper portion of the transparent electrode, and then heat-treating the mixed solution to form a buffer layer (Step 1); And
상기 버퍼층 상부에 반도체 산화물 용액을 코팅한 후, 열처리하는 단계(단계 2);를 포함하는 광전기화학전지용 광전극의 제조방법을 제공한다.
And coating a semiconductor oxide solution on the buffer layer, followed by heat treatment (step 2).
이하, 본 발명에 따른 광전기화학전지용 광전극의 제조방법에 대해 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing a photoelectrode for an electrochemical cell according to the present invention will be described in detail.
상기 단계 1은 투명전극 상부에 플러렌 유도체와 유기용매의 혼합용액을 코팅한 후, 이를 열처리하여 버퍼층을 형성하는 단계로서, 상기 혼합용액 중 플러렌의 농도는 10 내지 30 mg/mL 인 것이 바람직하다.In the
상기 플러렌의 농도가 증가할수록, 이에 따라 광전류 밀도도 향상되는 효과가 있으나, 만약 플러렌의 농도가 10 mg/ml 미만이거나, 30mg/mL를 초과할 경우에는 제한된 용해도 때문에 균일한 혼합용액을 제조할 수 없어 균일하게 코팅된 버퍼층을 형성할 수 없다. 즉, 광전류밀도가 현저히 감소하는 문제가 발생할 수 있다. When the concentration of fullerene is less than 10 mg / ml, or when the concentration of fullerene is more than 30 mg / ml, a uniform mixture solution can be prepared due to the limited solubility. And a uniformly coated buffer layer can not be formed. That is, the photocurrent density may be significantly reduced.
또한 혼합용액에 사용되는 유기 용매는 디클로로벤젠(dichlorobenzene), DCM(dichloromethane), 클로로포름(chloroform), DMF(N, N-dimethylformamide), THF(tetrahydrofuran) 및 에틸 아세테이트(ethyl acetate)등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The organic solvent used in the mixed solution may be dichlorobenzene, dichloromethane, chloroform, N, N-dimethylformamide (DMF), tetrahydrofuran (THF) and ethyl acetate , But is not limited thereto.
한편, 상기 플러렌이 용해된 혼합용액은 상기 투명전극 상부에 스핀 코팅, 스핀 캐스팅, 롤 코팅 및 딥 코팅법등을 통해 코팅하며, 이를 80 내지 120 ℃에서 약 1분 동안 열처리하여 버퍼층(buffer layer)을 형성시킬 수 있다.
On the other hand, the mixed solution in which the fullerene is dissolved is coated on the transparent electrode by spin coating, spin casting, roll coating, dip coating or the like, followed by heat treatment at 80 to 120 ° C for about 1 minute to form a buffer layer .
그 다음으로, 본 발명에 따른 광전기화학전지용 광전극의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 버퍼층 상부에 반도체 산화물 용액을 코팅한 후, 열처리하는 단계로서, 반도체층을 형성할 수 있다.Next, in the method for manufacturing a photoelectrode for photoelectrochemical cells according to the present invention, the
상기 단계 2의 반도체 산화물은 TiO2, Ga2O3, In2O3, ZnO, Nb2O5, WO3, Sn0, SnO2 및 MgO등을 사용할 수 있으며, 상기 반도체 산화물을 에탄올과 같은 유기용매와 혼합 후, 반도체 산화물의 색깔이 사라질 때까지 용해시킨다. 상기 용액이 투명하게 되면 상기 버퍼층 상부에 스핀 코팅, 스핀 캐스팅, 롤 코팅 및 딥 코팅법등을 통해 코팅한 후 열처리를 수행할 수 있다. The semiconductor oxide of
상기 열처리는 80 내지 120 ℃에서 약 1분 동안 전 열처리를 한 후, 450 내지 550℃에서 1 내지 3시간 동안 열처리를 수행하여 반도체층을 형성시킬 수 있다.The heat treatment may be performed at a temperature of 80 to 120 ° C for about 1 minute, and then a heat treatment may be performed at 450 to 550 ° C for 1 to 3 hours to form a semiconductor layer.
만약 열처리의 온도가 상기 범위를 벗어날 경우에는, 전도성 투명전극인 예를들어 FTO의 결정이 변하거나 유리와 같은 기판에 변형이 가해질 수 있다. 또한, 상기 범위의 온도에서 수행될 때, 모노리틱(monolithic) 결정성을 갖는 반도체층을 형성할 수 있다.
If the temperature of the heat treatment is out of the above range, the crystal of the conductive transparent electrode, for example FTO, may be deformed or deformed to a substrate such as glass. Also, when performed at the temperature within the above range, a semiconductor layer having monolithic crystallinity can be formed.
한편, 상기 단계 1에서 형성된 플러렌을 포함한 버퍼층은, 상기 단계 2에서 450 내지 550℃에서 1 내지 3시간 동안 열처리 수행 후에 플러렌의 구조가 파괴되어, 복수개의 플러렌으로 연결된 흑연성 탄소일 수 있으며, 예를 들어 도 13(b)에 나타낸 구조일 수 있다.On the other hand, the buffer layer containing fullerene formed in
도 13(a)는 종래의 광전기화학전지용 광전극을 나타낸 모식도이고, 도 13(b)는 본 발명에 따른 광전기화학전지용 광전극을 개략적으로 나타낸 모식도이다.13 (a) is a schematic view showing a photoelectrode for a conventional photoelectric chemical cell, and FIG. 13 (b) is a schematic diagram schematically showing a photoelectrode for a photoelectrochemical cell according to the present invention.
도 13(b)에 나타낸 바와 같이 투명전극(FTO 전극)과 반도체층(WO3)사이에 플러렌을 포함한 버퍼층을 구비시킬수 있으며, 상기 버퍼층은 복수개의 플러렌으로 연결된 흑연성 탄소일 수 있다. 또한 상기 버퍼층을 광전극에 구비시킴으로써, 반도체층에서 여기된 전하가 효과적으로 빠르게 이동할 수 있으며, 이는 종래의 광전극의 전하-정공쌍의 재결합(recombination) 및 느린 전하이동의 문제점을 해결할 수 있다.
As shown in FIG. 13 (b), a buffer layer containing fullerene may be provided between the transparent electrode (FTO electrode) and the semiconductor layer WO 3 , and the buffer layer may be graphitic carbon connected with a plurality of fullerenes. Also, by providing the buffer layer on the photoelectrode, the charges excited in the semiconductor layer can be effectively moved quickly, which can solve the problems of recombination of charge-hole pairs and slow charge transfer in the conventional photoelectrode.
또한, 본 발명에 따른 광전기화학전지용 광전극의 제조방법은 기존에 보고된 유사한 탄소계 소재(CNT,Graphene)에 비해 손쉽게 제작이 가능하고, 특히 균일한 대면적 막을 만드는데 있어서 용이한 장점이 있다.
In addition, the manufacturing method of the photoelectrode for the photoelectrochemical cell according to the present invention can be easily manufactured compared to the carbon based material (CNT, Graphene) reported in the past, and is particularly easy to make a uniform large-area film.
또한 본 발명은,Further, according to the present invention,
본 발명에 따른 광전극; 기준전극; 상대전극; 및 전해질;을 포함하되,An optical electrode according to the present invention; A reference electrode; A counter electrode; And an electrolyte,
상기 광전극과 상대전극이 전기적으로 연결된 광전기화학전지를 제공한다.
And the photoelectrode and the counter electrode are electrically connected to each other.
이때, 상기 기준전극(reference electrode)은 수용액계 기준전극을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 수소전극(Pt/H2), 칼로멜전극(Hg/HgCl2), 은-염화은전극(Ag/AgCl), 수은-황산수은전극(Hg/HgSO4), 수은-산화수은전극(Hg/HgO)을 사용할 수 있으며, 바람직하게는, 은-염화은전극을 사용할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.For example, the reference electrode may be an aqueous solution reference electrode such as a hydrogen electrode (Pt / H 2 ), a calomel electrode (Hg / HgCl 2 ), a silver-silver chloride electrode (Ag / AgCl) , A mercury-mercury-sulfuric acid mercury electrode (Hg / HgSO 4 ), and a mercury-mercury-mercury electrode (Hg / HgO) can be used.
또한, 상기 상대전극(counter electrode)은 백금(Pt), 이리듐(Ir), 납(Pd) 및 탄탈륨(Ta)등에서 선택되는 1종 이상의 금속 또는 이들의 합금을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 백금을 사용할 수 있다.
The counter electrode may be at least one metal selected from the group consisting of platinum (Pt), iridium (Ir), lead (Pd), and tantalum (Ta), or an alloy thereof. Can be used.
한편, 상기 광전극과 상대전극은 수용액 전해질과 접촉하며, 두 전극에서는 각각 물의 산화와 환원반응이 일어나게 되어 산소와 수소를 생산하게 된다.
On the other hand, the photoelectrode and the counter electrode are in contact with the aqueous electrolyte, and the oxidation and reduction reactions of water occur at the two electrodes, respectively, to produce oxygen and hydrogen.
또한, 상기 광전기화학전지는 복수개의 플러렌으로 연결된 흑연성 카본을 포함하는 버퍼층의 전자 친화도 및 정공 이동에 대한 블록 특성 때문에 광전극에서 생성된 전하를 빠르게 선택적으로 분리/이동시킬 수 있는 특성이 있으며, 결과적으로 광전극 내부(벌크)에서 생성된 전자와 정공의 재결합을 막게 되어 향상된 태양-수소 효율을 얻을 수 있다.
In addition, the photoelectrochemical cell has a characteristic of rapidly separating / transferring charges generated in the photoelectrode due to the electron affinity and blocking characteristic of hole transport of the buffer layer including graphite carbon connected by a plurality of fullerenes As a result, it is possible to prevent the recombination of electrons and holes generated in the inside of the photo-electrode (bulk), thereby achieving an improved solar-hydrogen efficiency.
이하, 실시예를 참고하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following embodiments are only examples of the present invention, but the present invention is not limited thereto.
<제조예 1> 텅스텐 산화물(WO3) 용액의 제조PREPARATION EXAMPLE 1 Preparation of tungsten oxide (WO 3 ) solution
텅스텐 산화물(WO3)용액을 제조하기 위해, 텅스텐계 화합물인 진한 청색(dark-blue)의 텅스텐 클로라이드(WCl6) 1.14 g을 에탄올 20 ml에 용해시켰다. To prepare a tungsten oxide (WO 3 ) solution, 1.14 g of a tungsten-based compound dark-blue tungsten chloride (WCl 6 ) was dissolved in 20 ml of ethanol.
상기 용액을 불활성 분위기에서 진한 청색이 사라질 때까지 24시간 동안 용해시켜 투명한 용액을 제조하였다.
The solution was dissolved in an inert atmosphere for 24 hours until the deep blue color disappeared to produce a clear solution.
<실시예 1> ≪ Example 1 >
단계 1: 12 mg의 플러렌(C70)을 1ml의 1,2-dichlorobenzene에 용해시켰다. 상기 혼합용액을 투명전극(FTO가 코팅된 유리) 상부에 2000rpm의 속도로 40초 동안 스핀코팅한 후 100 ℃의 핫플레이트(hot plate)에서 1분 동안 열처리하였다.
Step 1: 12 mg of fullerene (C 70 ) was dissolved in 1 ml of 1,2-dichlorobenzene. The mixed solution was spin-coated on the transparent electrode (glass coated with FTO) at a speed of 2000 rpm for 40 seconds, and then heat-treated for 1 minute on a hot plate at 100 ° C.
단계 2: 상기 단계 1에서 형성된 버퍼층 상부에, 상기 제조예 1에서 제조된 텅스텐 산화물 용액을 600rpm의 속도로 30초 동안 스핀코팅한 후, 100 ℃의 핫플레이트(hot plate)에서 1분 동안 열처리하였다.
Step 2: The tungsten oxide solution prepared in Preparation Example 1 was spin-coated on the buffer layer formed in the
단계 3: 상기 단계 2에서 열처리 수행 후, 500 ℃의 오븐에서 2시간 동안 열처리하여 광전기화학전지용 광전극을 제조하였다.
Step 3: After performing the heat treatment in the
<실시예 2>≪ Example 2 >
실시예 1에 있어서, 상기 단계 2의 과정을 2회 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 광전기화학전지용 광전극을 제조하였다.
A photoelectrode for a photoelectrochemical cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the
<실시예 3>≪ Example 3 >
실시예 1에 있어서, 상기 단계 2의 과정을 3회 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 광전기화학전지용 광전극을 제조하였다.
A photoelectrode for a photoelectrochemical cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the process of
<실시예 4><Example 4>
실시예 1에 있어서, 상기 단계 2의 과정을 5회 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 광전기화학전지용 광전극을 제조하였다.
A photoelectrode for a photoelectrochemical cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the
<실시예 5>≪ Example 5 >
실시예 1에 있어서, 상기 단계 2의 과정을 7회 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 광전기화학전지용 광전극을 제조하였다.
A photoelectrode for a photoelectrochemical cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the process of the
<실시예 6>≪ Example 6 >
실시예 1에 있어서, 상기 단계 1에서 20 mg의 플러렌을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 광전기화학전지용 광전극을 제조하였다.
A photoelectrode for a photoelectrochemical cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that 20 mg of fullerene was used in the
<실시예 7>≪ Example 7 >
실시예 1에 있어서, 상기 단계 1에서 30 mg의 플러렌을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 광전기화학전지용 광전극을 제조하였다.
A photoelectrode for a photoelectrochemical cell was produced in the same manner as in Example 1, except that 30 mg of fullerene was used in the
<비교예 1>≪ Comparative Example 1 &
단계 1: 투명전극(FTO가 코팅된 유리) 상부에, 상기 제조예 1에서 제조된 텅스텐 산화물 용액을 600rpm의 속도로 30초 동안 스핀코팅한 후, 100 ℃의 핫플레이트(hot plate)에서 1분 동안 열처리하였다.
Step 1: The tungsten oxide solution prepared in Preparation Example 1 was spin-coated on the transparent electrode (glass coated with FTO) at a speed of 600 rpm for 30 seconds, and then coated on a hot plate at 100 ° C for 1 minute Lt; / RTI >
단계 2: 상기 단계 1의 열처리 후, 500 ℃의 오븐에서 2시간 동안 열처리하여 광전기화학전지용 광전극을 제조하였다.
Step 2: After the heat treatment in the
<비교예 2>≪ Comparative Example 2 &
상기 비교예 1에 있어서, 상기 단계 1의 과정을 2회 수행한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일하게 수행하여 광전기화학전지용 광전극을 제조하였다.
In Comparative Example 1, a photoelectrode for a photoelectrochemical cell was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that the process of
<비교예 3>≪ Comparative Example 3 &
상기 비교예 1에 있어서, 상기 단계 1의 과정을 3회 수행한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일하게 수행하여 광전기화학전지용 광전극을 제조하였다.
In Comparative Example 1, a photoelectrode for a photoelectrochemical cell was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that the process of
<비교예 4>≪ Comparative Example 4 &
상기 비교예 1에 있어서, 상기 단계 1의 과정을 5회 수행한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일하게 수행하여 광전기화학전지용 광전극을 제조하였다.
A photoelectrode for a photoelectrochemical cell was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that the process of
<비교예 5>≪ Comparative Example 5 &
상기 비교예 1에 있어서, 상기 단계 1의 과정을 7회 수행한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일하게 수행하여 광전기화학전지용 광전극을 제조하였다.
In Comparative Example 1, a photoelectrode for a photoelectrochemical cell was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, except that the process of
<비교예 6>≪ Comparative Example 6 >
실시예 1에 있어서, 상기 단계 1에서 40 mg의 플러렌을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 광전기화학전지용 광전극을 제조하였다.
A photoelectrode for a photoelectrochemical cell was produced in the same manner as in Example 1 except that 40 mg of fullerene was used in the
<비교예 7>≪ Comparative Example 7 &
실시예 1에 있어서, 상기 단계 1에서 50 mg의 플러렌을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 광전기화학전지용 광전극을 제조하였다.
A photoelectrode for a photoelectrochemical cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that 50 mg of fullerene was used in the
<실험예 1> X-선 회절 분석Experimental Example 1 X-ray diffraction analysis
상기 실시예 3 및 비교예 3에서 제조된 광전극의 결정분석을 위해 X-선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD)을 하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다.X-ray diffraction (XRD) was performed to analyze crystals of the photo-electrode prepared in Example 3 and Comparative Example 3. The results are shown in FIG.
도 1에 나타낸 바와 같이, 23°와 24.5°사이에 3개의 분리된 뚜렷한 피크를 나타났고, 단사정상(monoclinic phase)의 결정구조를 가지는 텅스텐 산화물(WO3)인 것을 확인할 수 있다. 버퍼층을 포함하는 실시예 3의 경우, 낮은 결정도의 구조를 형성하였으며, 이를 통해 상기 플러렌을 포함한 버퍼층은 텅스텐 산화물의 모폴로지에 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다.
As shown in FIG. 1, it was confirmed that tungsten oxide (WO 3 ) exhibited three separate distinct peaks between 23 ° and 24.5 ° and had a monoclinic phase crystal structure. In the case of Example 3 including a buffer layer, a structure with a low crystallinity was formed, and it was found that the buffer layer containing fullerene did not affect the morphology of tungsten oxide.
또한, 본 발명에 따른 플러렌이 포함된 버퍼층을 500℃에서의 소성 전과 후의 X-선 회절분석한 결과를 도 2에 나타냈으며, 상기 XRD 패턴을 통해 소성된 플러렌의 피피크는 선명하게 나타나지 않는 것을 알 수 있다.
The results of X-ray diffraction analysis of the buffer layer containing fullerene according to the present invention before and after the firing at 500 ° C are shown in FIG. 2. The peak of the fullerene fired through the XRD pattern is not clearly shown .
<실험예 2> 고해상도 투과전자현미경 및 주사전자현미경 분석<Experimental Example 2> High resolution transmission electron microscope and scanning electron microscopic analysis
상기 비교예 3 및 실시예 3에서 제조된 광전극의 표면과 버퍼층의 구조를 알아보고자, 고해상도 투과전자현미경(High resolution scanning transmission electron microscopy, HR-STEM)을 통해 관찰한 사진을 도 3에 나타내었으며, 측면 크기가 10 내지 20 nm인 암점(spot)인 열처리된 플러렌을 관찰할 수 있다. 따라서 소성 후의 플러렌은 텅스텐 산화물층에 부분적으로 분산되어 있는 형태인 것을 확인할 수 있다.
FIG. 3 shows a photograph of the surface of the photoelectrode prepared in Comparative Examples 3 and 3 and the structure of the buffer layer through a high-resolution transmission electron microscopy (HR-STEM) , And a heat-treated fullerene which is a spot having a side size of 10 to 20 nm. Therefore, it can be confirmed that the fullerene after firing is partially dispersed in the tungsten oxide layer.
또한, 비교예 3에서 제조된 광전극의 단면을 주사전자현미경(Field emission scanning electron microscope, FE-SEM)을 통해 관찰한 사진을 도 4에 나타내었으며, 약 300nm 두께의 텅스텐 산화물층이 형성된 것을 확인할 수 있다.
FIG. 4 shows a photograph of a cross section of the photoelectrode prepared in Comparative Example 3 through a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), and it was confirmed that a tungsten oxide layer with a thickness of about 300 nm was formed .
<실험예 3> 라만 분광분석(Raman spectroscopy)≪ Experimental Example 3 > Raman spectroscopy (Raman spectroscopy)
본 발명에 따른 플러렌이 포함된 버퍼층의 구조를 알아보고자, 상기 비교예 3 및 실시예 3에서 제조된 광전극의 라만 스펙트럼(Raman spectrum)을 도 5에 나타내었다. FIG. 5 shows Raman spectra of the photoelectrodes prepared in Comparative Examples 3 and 3 in order to examine the structure of the buffer layer containing fullerene according to the present invention.
도 5(a)에서 알 수 있듯이, 1000 cm-1 이하에서 텅스텐 산화물층의 높은 결정성을 확인할 수 있으며, 특히 710 내지 805 cm-1 부근에서 W-O-W 라만 피크를 확인할 수 있다. As can be seen from FIG. 5 (a), the high crystallinity of the tungsten oxide layer can be confirmed at 1000 cm -1 or less, and particularly the WOW Raman peak can be confirmed at around 710 to 805 cm -1 .
한편, 도 5(a)를 확대한 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 실시예 3의 광전극의 경우 1300 내지 1700 cm-1 영역에서 두 개의 피크가 관찰되었고, 이는 D 및 G 피크로서, 각각 무질서의 탄소(disordered carbon) 및 흑연성 탄소(graphitic carbon)를 나타내는 것이다. On the other hand, as shown in FIG. 5 (b), which is an enlarged view of FIG. 5 (a), in the case of the photoelectrode of Example 3, two peaks were observed in the region of 1300 to 1700 cm -1 , Each representing disordered carbon and graphitic carbon.
따라서, 상기 결과를 통해 플러렌이 포함된 버퍼층은 500 ℃에서 소성 후에 플러렌은 남아있지 않고 적어도 부분적으로 파괴되는 구조를 형성한 것을 알 수 있다. 또한, 높은 소성 온도는 텅스텐 산화물이 고결정성을 형성하는데 필요하며, 높은 광-수확 효율을 얻는데 중요한 요인이 되는 것을 알 수 있다.
Therefore, it can be seen from the above results that the buffer layer containing fullerene has a structure in which fullerene does not remain and is at least partially broken after firing at 500 ° C. In addition, it can be seen that the high firing temperature is necessary for the tungsten oxide to form high crystallinity and is an important factor for obtaining high light-harvesting efficiency.
한편, 플러렌을 500 ℃에서 소성하기 전과 후의 라만 스펙트럼을 도 6에 나타내었으며, 소성 후에는 플러렌은 흑연성 탄소인 것을 알 수 있다.
On the other hand, the Raman spectrum before and after firing the fullerene at 500 ° C is shown in Fig. 6, and it can be seen that the fullerene is graphitic carbon after firing.
<실험예 4> 광전류밀도 측정<Experimental Example 4> Measurement of photocurrent density
본 발명에 따른 광전극의 광전기화학특성을 알고자, 상기 광전극을 포함한 광전기화학전지를 제조하였다.
To understand the photoelectrochemical properties of the photoelectrode according to the present invention, a photoelectrochemical cell including the photoelectrode was prepared.
본 발명에 따른 광전극을 포함한 광전기화학전지의 구조의 모식도를 도 7에나타내었다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 상대전극으로는 백금 와이어(Pt wire), 기준전극은 은/염화은(Ag/AgCl)전극을 사용하였고, 광전극은 면적이 2.54 cm2 인 본 발명에 따른 광전극을 사용하였으며, 상기 광전극과 상대전극을 0.1 M의 황화나트륨(sodium sulfate, Na2S)(pH ~4.0)이 포함된 전해질 수용액에 담지시켜 광전기화학전지를 제조하였다.
A schematic diagram of the structure of the photoelectrochemical cell including the photoelectrode according to the present invention is shown in Fig. 7, a platinum wire was used as a counter electrode, silver / silver chloride (Ag / AgCl) electrode was used as a reference electrode, and a photoelectrode according to the present invention having an area of 2.54 cm 2 The photoelectrochemical cell was prepared by supporting the photoelectrode and the counter electrode in an electrolyte aqueous solution containing 0.1 M of sodium sulfate (Na 2 S) (pH ~ 4.0).
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5에서 제조된 광전극을 포함한 광전기화학전지를 사용하여 솔라 시뮬레이터로 AM 1.5(1sun, 100 mW/cm2), 1.23 V 조건하에서 시간에 따른 광전류를 측정하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
Photocurrents were measured with a solar simulator under the conditions of AM 1.5 (1sun, 100 mW / cm 2 ) and 1.23 V using the photoelectrochemical cell including the photoelectrode manufactured in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5 And the results are shown in Fig.
도 8(a)는 상기 제조된 광전기화학전지의 광-전환 조건하에서의 광전류밀도(Photocurrent density, mA/cm2)를 나타낸 그래프이다. 이때 텅스텐 산화물용액의 스핀코팅을 1, 2, 3, 5 및 7회 수행한 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5에서 제조된 광전극을 상기 그래프상에 t1, t2, t3, t5 및 t7으로 표기하였다.8 (a) is a graph showing the photocurrent density (mA / cm 2 ) of the photo-electrochemical cell manufactured under the photo-conversion condition. At this time, the photoelectrodes prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5, in which the tungsten oxide solution was spin-coated 1, 2, 3, 5 and 7 times, are shown on the graph as t1, t2, t3, t5 and t7 Respectively.
상기 텅스텐 산화물 스핀코팅의 횟수가 증가함에 따라 텅스텐 산화물층의 두께는 약 100 nm씩 증가하였으며, 상기 광전극에 포함된 텅스텐 산화물층은 100 내지 700 nm의 두께를 형성하였다.As the number of times of the tungsten oxide spin coating was increased, the thickness of the tungsten oxide layer was increased by about 100 nm, and the tungsten oxide layer included in the photo electrode was formed to a thickness of 100 to 700 nm.
상기 도 8(a)의 그래프상에 나타낸 실선은 실시예 1 내지 5에서 제조된 광전극이고, 점선은 비교예 1 내지 5에서 제조된 광전극의 광전류밀도를 나타낸 것이다고, 도 8(b)에 나타낸 광전류밀도 그래프상에 X축은 텅스텐 산화물 층(WO3 layer)으로, WO3층 증착시 스핀코팅의 횟수를 의미한다. 8 (a), the dotted lines show the photocurrent density of the photoelectrode manufactured in Comparative Examples 1 to 5, and the solid line in the graph of FIG. 8 (a) On the graph of the photocurrent density, the X-axis represents the number of times of spin coating in the WO 3 layer deposition as a tungsten oxide layer (WO 3 layer).
상기 도 8을 통해 텅스텐 산화물층의 두께가 증가할수록 광 흡수가 향상되어, 광전류밀도 또한 증가하는 것을 알 수 있으며, 본 발명에 따른 버퍼층이 구비된 광전극인 실시예 1 내지 5에서 제조된 광전극은 버퍼층이 구비되지 않은 비교예 1 내지 5의 광전극보다 높은 광전류밀도를 갖는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 8, as the thickness of the tungsten oxide layer is increased, the light absorption is improved and the photocurrent density is also increased. In the photoelectrode having the buffer layer according to the present invention, Can be confirmed to have higher photocurrent density than the optical electrodes of Comparative Examples 1 to 5 in which no buffer layer is provided.
따라서 소성된 플러렌을 포함한 버퍼층이 투명전극과 반도체층 사이에 구비됨으로써 계면의 전하이동이 우수한 것을 알 수 있다.
Therefore, it can be seen that the buffer layer including the fired fullerene is provided between the transparent electrode and the semiconductor layer, so that the charge transfer at the interface is excellent.
한편, 플러렌의 농도의 변화에 따른 효과를 알아보고자, 실시예 1, 6, 7 및 비교예 6, 7에서 제조한 광전극을 포함한 광전기화학전지를 도 9(b)사진에 나타내었고, 상기 광전기화학전지를 솔라 시뮬레이터로 AM 1.5(1sun, 100 mW/cm2) 조건하에서 광전류를 측정한 결과를 도 9(b)에 나타내었다.9 (b) shows the photoelectrochemical cell including the photoelectrode prepared in Examples 1, 6 and 7 and Comparative Examples 6 and 7 in order to examine the effects of the change in the concentration of fullerene, Fig. 9 (b) shows the result of photocurrent measurement under the condition of AM 1.5 (1sun, 100 mW / cm 2 ) using a solar simulator.
도 9(a)에 나타낸 바와 같이, 플러렌의 농도가 12, 20, 30 mg/mL인 혼합용액을 사용한 실시예 1, 6, 7의 경우 플러렌의 농도가 증가함에 따라 광전류 밀도가 향상하였다. 그러나 플러렌의 농도가 30mg/mL을 초과한 혼합용액을 사용한 비교예 6 및 7의 경우 제한된 용해도 때문에 균일한 용액이 형성되지 않아, 도 9(b)에 사진과 같이 균일하지 않은 코팅필름이 형성되어 광전류 밀도 값이 감소되는 결과를 나타내었다. As shown in FIG. 9 (a), the photocurrent density of Examples 1, 6, and 7 using the mixed solution having the fullerene concentration of 12, 20, and 30 mg / mL was increased as the concentration of fullerene increased. However, in Comparative Examples 6 and 7 using a mixed solution having a concentration of fullerene of more than 30 mg / mL, a uniform solution was not formed due to the limited solubility, and an uneven coating film was formed as shown in FIG. 9 (b) The photocurrent density value was decreased.
따라서 본 발명에 따른 버퍼층 제조시에 사용되는 플러렌의 농도는 10 내지 30mg/mL 이내인 것이 바람직한 것을 알 수 있다.
Therefore, it can be seen that the concentration of fullerene used in the production of the buffer layer according to the present invention is preferably 10 to 30 mg / mL or less.
<실험예 5> 광발광(Photoluminescence)분석<Experimental Example 5> Photoluminescence analysis
본 발명에 따른 버퍼층이 구비된 광전극의 전하 이동 특성을 알고자 실시예 3 및 비교예 3에서 제조된 광전극의 광발광(Photoluminescence) 및 시분해 광발광(time-resolved photoluminescence)을 분석하여 도 10에 나타내었다. Photoluminescence and time-resolved photoluminescence of the photoelectrode prepared in Example 3 and Comparative Example 3 were analyzed to know the charge transfer characteristics of the photoelectrode provided with the buffer layer according to the
도 10(a)에 나타낸 바와 같이, 광발광은 플러렌을 포함한 버퍼층에 의해 억제되는 것을 확인할 수 있다. As shown in Fig. 10 (a), it is confirmed that the light emission is suppressed by the buffer layer containing fullerene.
또한, 실시예 3(WO3/C70/FTO전극) 및 비교예 3(WO3/FTO전극)에서 제조된 광전극과, 추가적으로 텅스텐산화물층 상부에 플러렌이 증착된 광전극(R-WO3/FTO)을 시분해 광발광의 결과를 도 10(b)에 나타내었고, 상기 도 10(b)의 곡선으로부터 추정된 전자-정공 쌍의 평균 수명시간(lifetime)을 도 10(c)에 나타내었다.
In addition, the photoelectrode prepared in Example 3 (WO 3 / C 70 / FTO electrode) and Comparative Example 3 (WO 3 / FTO electrode) and the photo electrode (R-WO 3 / FTO) is shown in FIG. 10 (b), and the average lifetime of the electron-hole pairs estimated from the curve of FIG. 10 (b) .
도 10(c)에 나타낸 바와 같이, 버퍼층을 포함한 실시예 3에서 제조된 광전극은 0.8 나노초(ns), 상기 버퍼층을 포함하지 않은 비교예 3의 경우 0.8 나노초(ns)의 평균 수명시간을 나타내었다. 또한 텅스텐산화물층 상부에 플러렌을 증착한 광전극의 경우 전자-정공쌍의 수명시간은 0.7 나노초(ns)를 나타내었다.
As shown in FIG. 10 (c), the optical electrode manufactured in Example 3 including the buffer layer exhibited an average lifetime of 0.8 nanoseconds (ns) and 0.8 nanoseconds (ns) in Comparative Example 3 not including the buffer layer . In the case of the photoelectrode deposited with fullerene on the tungsten oxide layer, the lifetime of the electron-hole pair was 0.7 nanoseconds (ns).
상술한 바와 같이 광발광의 낮은 양자 수율의 결과로부터, 본 발명에 따른 버퍼층을 구비한 광전극은 텅스텐 산화물에서 선택적으로 여기되어 버퍼층까지 효과적으로 전하가 이동하는 것을 예측할 수 있다.
From the result of the low quantum yield of the photoluminescence as described above, it can be predicted that the photoelectrode having the buffer layer according to the present invention is selectively excited in the tungsten oxide and the charge moves effectively to the buffer layer.
<실험예 6> 광전도 원자현미경 분석 <Experimental Example 6> Photoconductive atomic force microscopy
본 발명에 따른 광전극의 광전류 특성을 알고자, 실시예 3(WO3/C70/FTO) 및 비교예 3(WO3/FTO)에서 제조된 광전극을 광 조건에 따른 광전도 원자현미경(Photoconductive-AFM)을 분석하였으며, 전류(current) 매핑(mapping) 사진 및 전류 그래프를 도 11에 나타내었고, 이에 대한 평균 전류 값을 표 1에 나타내었다.The photoelectrodes prepared in Example 3 (WO 3 / C 70 / FTO) and Comparative Example 3 (WO 3 / FTO) were subjected to photoconductive atomic force microscopy Photoconductive-AFM), a current mapping map and a current graph are shown in FIG. 11, and the average current values thereof are shown in Table 1.
도 11에 나타낸 AFM 사진의 밝은 부분은 전도도가 높은 것을 의미하며, 상기 AFM 사진으로부터 실시예 3의 광전극이 비교예 3의 광전극보다 높은 전도도를 갖는 것을 확인할 수 있다.
11 shows that the bright portion of the AFM photograph shows high conductivity and that the photoelectrode of Example 3 has higher conductivity than the photoelectrode of Comparative Example 3 from the AFM photograph.
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 암 조건(light off)에서는, 비교예 3인 광전극의 평균 전류값은 0.33 ㎂를 나타내었고, 실시예 3인 광전극의 평균 전류값은 0.78 ㎂을 나타내었다. As shown in Table 1, in the light off condition, the average current value of the photoelectrode of Comparative Example 3 was 0.33 占,, and the average current value of the photoelectrode of Example 3 was 0.78 占..
또한 , 광 조건(light on)에서는, 비교예 3인 광전극의 평균 전류값은 0.78를 나타내었고, 실시예 3인 광전극의 평균 전류값은 3.68 ㎂을 나타내었다.
In the light condition, the average current value of the optical electrode of Comparative Example 3 was 0.78, and the average current value of the optical electrode of Example 3 was 3.68 占..
상기 도 11 및 표 1의 결과로부터, 광조건에 따른 버퍼층을 포함한 광전극의 전류는 상기 버퍼층을 포함하지 않는 광전극보다 약 2 내지 10배 높은 전류 값을 갖는 것을 알 수 있다.
From the results of FIG. 11 and Table 1, it can be seen that the current of the photoelectrode including the buffer layer according to the light condition has a current value about 2 to 10 times higher than that of the photoelectrode not including the buffer layer.
<실험예 7> 전기 화학 임피던스 분광 분석Experimental Example 7 Electrochemical Impedance Spectroscopy
상기 실시예 3 및 비교예 3의 광전극을 구비한 광전기화학전지의 광전극-전해질 계면의 전하이동저항(charge transfer resistance, Rct)을 알아보고자, 전기 화학 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 분석하였고, 그 결과를 도 12 및 표 2에 나타내었다.
Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was performed to investigate the charge transfer resistance (R ct ) of the photoelectrode-electrolyte interface of the photoelectrochemical cell having the photoelectrode of Example 3 and Comparative Example 3. The electrochemical impedance spectroscopy And the results are shown in FIG. 12 and Table 2.
도 12에 나타낸 바와 같이, 인가된 전위(0.6 V, 0.8 V, 1.0 V)에 따른 광전극-전해질 계면의 임피던스 분석 결과는 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot)으로 도시되었으며, 측정된 데이터로부터 등가회로 분석을 통해 전하이동저항(Rct)을 산출하여 표 2에 나타내었다. As shown in FIG. 12, the impedance analysis results of the photoelectrode-electrolyte interface according to the applied potentials (0.6 V, 0.8 V, and 1.0 V) are shown by Nyquist plots. From the measured data, The charge transfer resistance (R ct ) was calculated from the analysis and is shown in Table 2.
상기 임피던스 스펙트럼에 나타낸 호(arc)의 크기는 텅스텐산화물층-전해질 계면의 전하전달저항(Rct)을 나타낸 것으로서, 호의 크기가 작을수록 전하전달이 빠른 것을 의미한다. 또한 전하이동은 물질과 계면에서 전하 재결합(recombinaiton)에 의해 영향을 받으며, 이는 일반적으로 알려져 있다.
The magnitude of the arc in the impedance spectrum indicates the charge transfer resistance (R ct ) of the tungsten oxide layer-electrolyte interface. The smaller the arc size, the faster the charge transfer. Charge transport is also influenced by recombinaiton at the interface with the material, which is generally known.
따라서, 도 12에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 버퍼층이 구비된 광전극의 전하이동저항(Rct)이 가장 낮은 것을 관찰할 수 있으며, 이로 인해 광전극 내부(벌크)에서 생성된 전자와 정공의 재결합(recombination) 속도 또한 느린 것을 알 수 있다.
Therefore, as shown in FIG. 12, it can be seen that the charge transfer resistance (R ct ) of the photoelectrode provided with the buffer layer according to the present invention is the lowest. As a result, The recombination rate of the recombinant DNA is also slow.
Rs/ΩSurface resistance
R s / Ω
τ/sTime constant
τ / s
0.8
1.0
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 비교예 3 및 실시예 3에서 제조된 광전극의전하이동저항(Rct) 및 정공의 시간상수(τ)는 전위가 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다. 또한, 버퍼층을 구비한 실시예 3의 경우, 짧은 시간상수를 나타내었으며, 이는 재결합되지 않는 정공의 용이한 수송으로 인하여 물이 산화되는 곳에서 정공 전달이 빠르게 수행되는 것을 알 수 있다.
As shown in Table 2, the charge transfer resistance (R ct ) and the time constant (τ) of the photoelectrode prepared in Comparative Examples 3 and 3 tended to decrease with increasing potential. In addition, in the case of Example 3 having a buffer layer, a short time constant was shown, and it can be seen that hole transport is rapidly performed in the place where water is oxidized due to easy transport of holes which are not recombined.
또한, 상기 표 2에서 알 수 있듯이, 전위가 증가함에 따라 비교예 3과 실시예 3의 광전극-전해질 계면의 전하 이동 저항의 차이(ΔRct)가 감소하는 경향을 보였으며, 소성된 플러렌, 즉 복수개의 플러렌이 연결된 흑연성 탄소를 포함한 버퍼층의 효과는 낮은 전위 영역일때 더욱 효과적인 것을 알 수 있다.
As can be seen from Table 2, the difference (? Rct) in charge transfer resistance between the photoelectrode-electrolyte interfaces of Comparative Example 3 and Example 3 tended to decrease as the dislocation increased, and the fired fullerene It can be seen that the effect of the buffer layer containing graphitic carbon in which a plurality of fullerenes are connected is more effective in a low potential region.
Claims (15)
상기 기판 상부에 구비되는 투명전극;
상기 투명전극 상부에 구비되며, 복수개의 플러렌(fullerene)으로 연결된 흑연성 탄소(graphitic)를 포함하는 버퍼층(buffer layer); 및
상기 버퍼층 상부에 구비된 반도체층;을 포함하는 광전기화학전지용 광전극.
Board;
A transparent electrode provided on the substrate;
A buffer layer formed on the transparent electrode and including graphitic carbon connected with a plurality of fullerenes; And
And a semiconductor layer provided on the buffer layer.
The method of claim 1, wherein the transparent electrode is formed of a material selected from the group consisting of aluminum-doped zinc oxide (AZO), indium-tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO) (ZnS), aluminum tin oxide (ATO; Aluminium-tin oxide; SnO 2: Al) and fluorine-containing tin oxide (FTO: fluorine-doped tin oxide ) , characterized in that it comprises at least one element selected from the group consisting of Photoelectrode for photoelectrochemical cell.
The photoelectrode for a photoelectrochemical cell according to claim 1, wherein the substrate is one selected from the group consisting of glass, titanium, nickel, and molybdenum.
The semiconductor according to claim 1, wherein the semiconductor is at least one selected from the group consisting of TiO 2 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , ZnO, Nb 2 O 5 , WO 3 , SnO, SnO 2 , Photoelectrochemical cell.
상기 버퍼층 상부에 반도체 산화물 용액을 코팅한 후, 열처리하여 반도체층을 형성하는 단계(단계 2);를 포함하고,
상기 단계 2의 열처리는 80 내지 120 ℃에서 전열처리 후 450 내지 550℃에서 1 내지 3시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 광전기화학전지용 광전극의 제조방법.
Coating a mixed solution of fullerene and an organic solvent on the upper portion of the transparent electrode, and then heat-treating the mixed solution to form a buffer layer (Step 1); And
Forming a semiconductor layer by coating a semiconductor oxide solution on the buffer layer and then performing a heat treatment (step 2)
Wherein the heat treatment in step 2 is performed at 450 to 550 ° C for 1 to 3 hours after preheating at 80 to 120 ° C.
6. The method of claim 5, wherein the concentration of fullerene in the mixed solution in step 1 is 10 to 30 mg / mL.
6. The method according to claim 5, wherein the organic solvent in step 1 is dichloromethane, dichloromethane, chloroform, N, N-dimethylformamide (DMF), tetrahydrofuran (THF) Wherein the photoelectrochemical cell comprises at least one selected from the group consisting of a metal oxide and a metal oxide.
[6] The method of claim 5, wherein the mixed solution of step 1 is coated on top of the first electrode by spin coating, spin casting, roll coating, or dip coating.
[6] The method of claim 5, wherein the heat treatment in step 1 is performed at 80 to 120 [deg.] C.
The method of claim 5, wherein the semiconductor oxide of the step 2 is one member selected from the group consisting of TiO 2, Ga 2 O 3, In 2 O 3, ZnO, Nb 2 O 5, WO 3, Sn0, SnO 2 and MgO By weight based on the total weight of the photoelectrochemical cell.
6. The method of claim 5, wherein the semiconductor oxide solution of step 2 is coated on the buffer layer formed in step 1 by one of spin coating, spin casting, roll coating and dip coating. Gt;
상기 광전극과 상대전극이 전기적으로 연결된 광전기화학전지.
An optical electrode according to claim 1; A reference electrode; A counter electrode; And an electrolyte,
And the photoelectrode and the counter electrode are electrically connected to each other.
14. The method of claim 13, wherein the reference electrode (reference electrode) is a hydrogen electrode (Pt / H 2), calomel electrodes (Hg / HgCl 2), silver-silver chloride electrode (Ag / AgCl), mercury-sulphate mercury electrode (Hg / HgSO 4 ), and a mercury-mercury-silver electrode (Hg / HgO).
The method of claim 13, wherein the counter electrode comprises at least one metal selected from the group consisting of platinum (Pt), iridium (Ir), palladium (Pd), and tantalum (Ta) Characterized by a photoelectrochemical cell.
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