KR102123988B1 - 광전극 기반의 해수 전지 시스템 및 자발적 광충전 방법 - Google Patents

광전극 기반의 해수 전지 시스템 및 자발적 광충전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충전 시 광전극을 이용하는 해수 전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지는 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부; 해수에 함침되는 제1 캐소드(cathode) 및 제2 캐소드를 포함하는 양극부; 및 상기 양극부와 상기 음극부 사이에 위치하여 상기 양극부와 상기 음극부를 분리하는 고체 전해질;을 포함하고, 상기 제1 캐소드는, 광전극을 포함할 수 있다.

Description

광전극 기반의 해수 전지 시스템 및 자발적 광충전 방법 {SOLAR-SEAWATER BATTERY SYSTEM AND UNBIASED SPONTANEOUS PHOTO-CHARGING METHOD}
본 발명은 해수 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충전 시 광전극을 이용하는 해수 전지에 관한 것이다.
재생 가능한 에너지원의 효과적 사용은 지속 가능한 사회를 달성하기 위해 해결해야 할 가장 필수적인 문제들 중 하나이다. 바람, 태양, 수력, 바이오 매스 및 지열 에너지와 같은 재생 가능 에너지원은 안정적으로 전기를 생산하지 못한다. 결과적으로, 현재 에너지 소비를 충족시킬 수 있는 일관된 전력 공급 장치에 간헐적으로 발생하는 에너지를 축적하기 위해서는 대규모 에너지 저장 장치가 필수적이며, 고 에너지 리튬-이온 배터리가 솔루션으로 기여할 것으로 예상된다. 그러나, 리튬 비용의 증가에 따라 최근 해수 전지가 대규모 용도로 기존의 리튬 이온 배터리 기술을 대체할 수 있는 저비용/고효율 기술로 간주됨에 따라, 해수 전지에 대한 연구 및 개발 시도가 활성화되었다.
[특허문헌 1] 한국공개특허 제10-2016-0062616호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 충전 시 광전극을 이용하는 해수 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 충전 시 광전극-태양 전지의 탠덤(tandem) 구조 기반의 해수 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지는 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부; 해수에 함침되는 제1 캐소드(cathode) 및 제2 캐소드를 포함하는 양극부; 및 상기 양극부와 상기 음극부 사이에 위치하여 상기 양극부와 상기 음극부를 분리하는 고체 전해질;을 포함하고, 상기 제1 캐소드는, 광전극을 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제2 캐소드는, 카본 펠트, 카본 페이퍼, 카본 파이버 및 금속 박막/폼(foam) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 캐소드는, 상기 해수 전지의 충전 시 사용되고, 상기 제2 캐소드는, 상기 해수 전지의 방전 시 사용될 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 캐소드는, 전도성 기판 및 상기 전도성 기판 상에 위치하는 광흡수층을 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 광흡수층은, TiO2, ZnO, C3N4, WO3, Bi2WO6, BiVO4, CdS, TaON, CuWO4, ZnFe2O4, Fe2O3, Ta3N5 및 CaFe2O4 중 적어도 하나로 구성된 반도체를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 캐소드에 대한 전도대(conduction band, CB)와 가전자대(valence band, VB) 간 밴드갭(band gap)은 물 분해가 일어나는 전위를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 캐소드에 대한 전도대와 가전자대 간 밴드갭(band gap)의 크기는, 임계값 이하이고, 상기 임계값은, 전자 여기(electron excitation)가 일어나는 밴드갭의 최대 크기를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 캐소드는, 태양 전지와 서로 부착되어 일체를 이루는 탠덤(tandem) 구조를 구성할 수 있다.
실시예에서, 상기 태양 전지는, 충전 시 상기 제1 캐소드에 광전압을 공급할 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 캐소드와 태양 전지는, 하나의 소자로 구성될 수 있다.
실시예에서, 상기 탠덤 구조는, 상기 제1 캐소드와 상기 태양 전지를 적층시킨 복층 구조를 포함할 수 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술될 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, "통상의 기술자")에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 충전 시 광전극을 이용함으로써, 충전 시 필요한 충전 전압을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 광전극-태양 전지의 탠덤(tandem) 구조에 의해, 별도의 외부 인가 전압 없이 충전을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 풍부한 천연자원인 해수와 태양 에너지를 이용하여, 친환경적으로 충전을 수행할 수 있다.
본 발명의 효과들은 상술된 효과들로 제한되지 않으며, 본 발명의 기술적 특징들에 의하여 기대되는 잠정적인 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제1 캐소드의 예를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 해수 전지의 에너지 다이어그램을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지의 충전 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지의 J-V 커브(curves) 그래프를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지의 충방전 전압 그래프를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지의 안정성 그래프를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전극인 제1 캐소드와 태양 전지의 탠덤(tandem) 구조를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 다른 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 또 다른 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 또 다른 성능 그래프를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
청구범위에 개시된 발명의 다양한 특징들은 도면 및 상세한 설명을 고려하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 명세서에 개시된 장치, 방법, 제법 및 다양한 실시예들은 예시를 위해서 제공되는 것이다. 개시된 구조 및 기능상의 특징들은 통상의 기술자로 하여금 다양한 실시예들을 구체적으로 실시할 수 있도록 하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 개시된 용어 및 문장들은 개시된 발명의 다양한 특징들을 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시 광전극을 이용하는 해수 전지를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지(100)를 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 해수 전지(100)는 양극부(110), 음극부(120), 고체 전해질(130) 및 퍼텐쇼스탯(potentiostat)(140)을 포함할 수 있다.
양극부(110)는 해수(seawater)에 함침되는 제1 캐소드(cathode)(112) 및 제2 캐소드(114)와 해수가 담기는 수조를 포함한다.
제1 캐소드(112)는 광전극(photoelectrode)을 의미할 수 있다. 즉, 제1 캐소드(112)는 태양에너지를 전기에너지로 변환하여, 변환된 전기에너지를 해수 전지(100)의 충전 시 필요한 충전 전압의 적어도 일부로 사용할 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 충전 시 광전극인 제1 캐소드(112)에 의해 공급되는 전압은 ‘광충전(photo-charge) 전압’으로 지칭될 수 있다. 이와 같이, 제1 캐소드(112)를 이용하여 광충전 전압을 공급함으로써 해수 전지(100)의 충전 시 필요한 충전 전압을 낮출 수 있다. 일 실시예에서, 광충전 전압만으로 충전이 완료되지 않고, 외부 인가 전압이 추가적으로 공급됨으로써 충전이 수행될 수 있다. 이 경우, 해수 전지(100)의 충전 전압은 광충전 전압과 외부 인가 전압의 합(sum)일 수 있다.
제1 캐소드(112)에 빛이 조사되면, 전자와 정공(수소이온)이 생성되며, 산소가 발생된다. 충전 시 제1 캐소드(112)에서 발생된 전자는 제1 캐소드(112)와 전기적으로 연결된 외부 회로를 통해 음극부(120)로 전달될 수 있다.
일 실시예에서, 충전 시 제1 캐소드(112)에서는 하기 <화학식 1>과 같은 반응이 발생할 수 있다. 즉, 충전 시 제1 캐소드(112)에서는 물이 분해되어 산소, 수소 이온, 및 전자가 생성되고, 생성된 전자는 음극부(120)로 전달될 수 있다.
Figure 112018098077644-pat00001
다른 실시예에서, 충전 시 제1 캐소드(112)에서는 물이 분해되어 수소(H2)와 산소(O2)가 2:1로 생성될 수 있다.
제2 캐소드(114)는 해수 전지(100)의 방전 시 양극부(110)에서 이용되는 캐소드를 의미할 수 있다. 이 경우, 방전 시 제2 캐소드(114)는 음극부(120)로부터 전자를 전달받을 수 있다. 일 실시예에서, 제2 캐소드(114)는 카본 펠트, 카본 페이퍼, 카본 파이버, 금속 박막/폼(foam) 또는 이들의 조합일 수 있는 양극 집전체 및 양극 집전체 상에 마련된 촉매층을 포함할 수 있다.
음극부(120)는 유기 전해질(예: TEGDME의 1M NaCF3SO3)에 함침되는 애노드(anode)를 포함할 수 있다. 애노드는 음극 집전체 및 음극 집전체 상에 위치하는 활물질층을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 활물질층으로써 나트륨 금속이 사용되었다.
일 실시예에서, 충전 시 음극부(120)에서는 하기 <화학식 2>와 같은 반응이 발생할 수 있다. 즉, 충전 시 음극부(120)에서는 나트륨 이온과 전자가 결합함으로써, 나트륨 금속에 전기 에너지가 저장될 수 있다.
Figure 112018098077644-pat00002
양극부(110)와 음극부(120) 사이에는, 양극부(110)와 음극부(120)를 분리하면서, 해수 전지(100)의 충방전 시, 나트륨 이온(Na+)을 통과시키는 고체 전해질(예: NASICON)(130)이 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 충전 시 나트륨 이온은 양극부(110)에서 고체 전해질(130)을 통해 음극부(120)로 이동하고, 방전 시 나트륨 이온은 음극부(120)에서 고체 전해질(130)을 통해 양극부(110)로 이동할 수 있다.
퍼텐쇼스탯(140)은 광전극인 제1 캐소드(112)에 의해 공급된 광충전 전압 이외에 해수 전지(100)의 충전 시 필요한 외부 인가 전압을 공급할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 캐소드(112)와 음극부(120)를 전기적으로 연결하는 외부 회로 상에 설치될 수 있으며, 충전 시 필요한 전압을 일정하게 공급할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제1 캐소드(112)의 예를 도시하는 도면이다.
도 2를 참고하면, 제1 캐소드(112)는 광전극을 의미할 수 있으며, 제1 캐소드(112)는 전도성 기판 및 상기 전도성 기판 상에 위치하는 광흡수층을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 광흡수층은 TiO2, ZnO, C3N4, WO3, Bi2WO6, BiVO4, CdS, TaON, CuWO4, ZnFe2O4, Fe2O3, Ta3N5 및 CaFe2O4 중 적어도 하나로 구성된 반도체를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전도성 기판은 FTO(F-doped SnO2 glass)로 구성되고, 광흡수층은 Mo로 도핑된 BiVO4를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 광흡수층 상에 위치하는 조효소층을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 제1 캐소드(112)는 해수에 포함된 물을 분해하여 충전을 수행하기 때문에, 제1 캐소드(112)에 대한 전도대(conduction band, CB)와 가전자대(valence band, VB) 사이에 물 분해가 일어나는 전위가(O2/H2O) 위치해야한다. 제1 캐소드(112)에 대한 전도대와 가전자대 간 밴드갭(band gap)은 물 분해가 일어나는 전위를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 충전 시 물을 산소로 산화하여, 가전자대에서 정공(hole)(수소)이 생성되고, 전도대에서 전자가 생성된다.
또한, 제1 캐소드(112)에 대한 전도대와 가전자대 간 밴드갭의 크기는 임계값 이하일 수 있다. 이 경우, 임계값은 전자 여기(electron excitation)가 일어나는 밴드갭의 최대 크기를 의미할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 해수 전지(100)의 에너지 다이어그램을 도시하는 도면이다.
도 3을 참고하면, 기존의 해수 전지에서와 같이 카본 펠트로 구성된 캐소드를 이용하여 충전이 수행되는 경우, 제1 경로(310)와 같이 충전이 수행되며, 이 경우, 예를 들어, 3.48V 이상의 충전 전압이 요구될 수 있다.
그러나, 본 발명의 해수 전지(100)와 같이 광전극인 제1 캐소드(112)를 이용하여 충전이 수행되는 경우, 제2 경로(320)와 같이 충전이 수행되며, 이 경우, 예를 들어, 2.25V의 충전 전압으로 충전이 수행될 수 있다. 즉, 충전 시 광전극인 제1 캐소드(112)를 이용하는 경우, 해수 전지(100)의 충전에 필요한 충전 전압이 감소될 수 있다. 예를 들어, 충전 전압은 1.23V만큼 감소될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지(100)의 충전 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 4를 참고하면, 광전극(NiFeOx/BiVO4)인 제1 캐소드(112)를 이용하여 충전이 수행되는 경우, 충전 전압은 2.95V일 수 있다. 백금(Pt)/탄소(C) 촉매로 코팅된 카본펠트로 구성된 제2 캐소드(114)를 이용하여 방전이 수행되는 경우, 방전 전압은 3.12V일 수 있다.
즉, 광전극인 제1 캐소드(112)를 이용하여 충전이 수행되는 경우, 방전 전압이 충전 전압보다 큰 것을 확인할 수 있는데, 이를 통해, 해수 전지(100)의 전압 효율이 100% 높아짐을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지(100)의 J-V 커브(curves) 그래프를 도시한 도면이다.
도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 NiFeOx/BiVO4 광전극을 적용하는 경우, 해수 분해를 위한 전압이 0.35VRHE(reversible hydrogen electrode)이고, Na 환원을 위한 전압이 2.55V임을 확인할 수 있다. 반면, 광흡수층을 사용하지 않은 OEC(oxygen evolving catalyst)인 IrOx/FTO 전극을 적용하는 경우, 해수 분해를 위한 전압이 1.55VRHE이고, Na 환원을 위한 전압이 3.87V임을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 NiFeOx/BiVO4 광전극은 광흡수층을 사용하지 않은 IrOx/FTO 전극에 비하여, Na 환원을 위한 전압, 즉, 충전 전압을 1.28V 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지(100)의 충방전 전압 그래프를 도시한 도면이다.
도 6을 참고하면, 1시간마다 해수 전지(100)의 충방전 전압을 측정하였을 때, 0.025-0.05mA 전류를 발생시키기 위한 충전 전압은 2.67-3.09V가 측정되고 방전 전압은 3.27-2.89V가 측정되었다.
즉, 매 시간마다 충전 전압이 방전 전압보다 낮음을 확인할 수 있는데, 이는, 충전 시 광전극인 제1 캐소드(112)에서 태양 에너지로부터 생성된 전기 에너지, 즉, 광충전 전압 때문이며, 이와 같이, 충전 시 광전극을 통해 전자를 발생시키는 경우 106-122%의 전압 효율을 달성할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지(100)의 안정성 그래프를 도시한 도면이다.
도 7을 참고하면, 초기 2시간 동안은 광전극인 제1 캐소드(112)에 의해 공급되는 광충전 전압이 약간 감소하지만, 이후 10시간 동안 광충전 전압이 일정하게 유지된다. 즉, 제1 캐소드(112)가 충전 시 광충전 전압을 안정적으로 공급할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 이와 같이 총 12시간 동안의 광충전 전압 측정 동안 해수 전지(100)의 충전 전류/전압(operating point)에 대한 J-V 커브 또한 변경되지 않음을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전극인 제1 캐소드(112)와 태양 전지(810)의 탠덤(tandem) 구조를 도시한 도면이다.
도 8을 참고하면, 해수 전지(800)는 광전극(photoelectrode, PE)인 제1 캐소드(112)와 서로 부착되어 일체를 이루는 탠덤(tandem) 구조를 구성하는 태양 전지(photovoltaic, PV)(810)를 포함할 수 있다. 여기서, 탠덤 구조는, 제1 캐소드(112)와 태양 전지(810)를 적층시킨 복층 구조를 포함할 수 있다. 즉, 제1 캐소드(112)의 일면과 태양 전지(810)의 일면은 접촉되어 있을 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해, 제1 캐소드(112)와 태양 전지의 탠덤 구조는 ‘PE-PV 탠덤 구조’로 지칭될 수 있다. 이 경우, 전방으로부터 조사된 빛은 제1 캐소드(112)에 흡수되며, 제1 캐소드(112)를 통과한 빛은 태양 전지(810)에 흡수될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 캐소드(112)는 태양 전지(810)의 전극과 전기적으로 연결될 수 있으며, 이 경우, 태양 전지(810)는 제1 캐소드(112)가 별도의 외부 인가 전압 없이 물을 분해하기 위한 바이어스(bias) 광전압을 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 캐소드(112)가 빛을 조사 받으면 제1 캐소드(112)에서 전자와 정공(수소이온)이 생성되며, 산소가 발생할 수 있다. 이 경우, 탠덤 구조로 인하여, 제1 캐소드(112)에서 생성된 전자는 태양 전지(810)를 통해 음극부(120)에게 전달될 수 있다.
예를 들어, 태양 전지(810)는 페로브스카이트 태양 전지(perovskite solar cell, PSC), c-Si 태양 전지, 실리콘 태양 전지, 염료 감응형 태양 전지, 화합물 반도체 태양 전지 및 적층형 태양 전지 중 하나를 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 9를 참고하면, 1.0sun의 조도(illumination intensity) 하에서, BiVO4로 구성된 PE-PV 탠덤 구조 기반의 해수 전지의 동작점(JOP)과 STC(solar-to-chemical) 변환 효율(
Figure 112018098077644-pat00003
)은 각각 PV가 7P(pieces) c-Si인 경우 2.29mAcm-2와 8.0%이고, PV가 3P(pieces) PSC인 경우 1.64mAcm-2와 5.7%일 수 있다. 이 경우, 3P PSC에 대한 STC 변환 효율(
Figure 112018098077644-pat00004
)이 더 낮고 안정성이 떨어짐에도 불구하고, 3P PSC는 저비용으로 인해 실용적이라는 이점이 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 다른 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 10을 참고하면, 동일한 PE-PV 탠덤 구조 기반 해수전지에 대하여, STC 변환 효율(
Figure 112018098077644-pat00005
)은 STH(solar-to-hydrogen) 변환 효율(
Figure 112018098077644-pat00006
)보다 높다. 예를 들어, 0.1M KPi의 PE-1P PSC 탠덤 구조 기반 해수전지와 PE-1P c-Si 탠덤 구조 기반 해수전지 각각에 대한 STH 변환 효율(
Figure 112018098077644-pat00007
)은 5.5%와 3.05%일 수 있다.
또한, PE-PV 탠덤 구조 기반 해수전지의 STC 변환 효율(
Figure 112018098077644-pat00008
)은 금속 산화물(metal oxide) 기반 PE-PV 탠덤 셀(예: BiBO4-Fe2O3-c-Si)의 STH 변환 효율(
Figure 112018098077644-pat00009
)(7.7%)보다 높을 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 또 다른 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 11을 참고하면, 1sun 이하에서 PE-PV 탠덤 구조를 포함하는 해수 전지로부터 생성된 광전류(photocurrent)는 음극부를 과부하(overload)시킬 수 있기 때문에, 해수 전지는 상대적으로 약한 광 세기(예: 0.1~0.3sun) 하에서 별도의 외부 바이어스 모듈 없이 충전을 수행하여, 5.7%의 STC 변환 효율(
Figure 112018098077644-pat00010
)을 확보하면서 0.7mA의 광전류를 안정적으로 생성할 수 있다. 즉, 8시간 동안 해수 전지는 광전류의 저하(degradation) 없이 충전을 수행할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 또 다른 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 12를 참고하면, PE-PV 탠덤 구조 기반 해수전지는 광전극인 제1 캐소드와 태양 전지가 하나의 소자로 구성되기 때문에, 에너지 변환 효율이 높음을 확인할 수 있다. 예를 들어, PE-PV 탠덤 구조 기반 해수전지는 3.92%의 STC 변환 효율(
Figure 112018098077644-pat00011
)을 달성할 수 있다.
반면, 광전극인 제1 캐소드 대신에 OEC 전극을 적용하고 별도의 소자를 이용하여 OEC 전극과 태양 전지를 연결하는 경우, OEC 전극과 태양 전지는 별도의 소자로 취급되기 때문에, 에너지 변환 효율이 낮음을 확인할 수 있다. 예를 들어, 예를 들어, OEC 전극이 적용된 해수전지는 1.18%의 STC 변환 효율(
Figure 112018098077644-pat00012
)을 달성할 수 있다.
즉, PE는 자체적으로 높은 광 전압뿐만 아니라 큰 밴드갭을 가지고 있기 때문에, 태양 에너지 수집을 극대화하기 위해서는 단일 광 흡수 시스템보다 이중 광 흡수 시스템을 사용하는 것이 에너지적으로 더 유리하다. 여기서, 단일 광 흡수 시스템은 충전 시 광전극을 사용하지 않고 태양 전지만을 사용하는 시스템을 의미하며, 이중 광 흡수 시스템은 충전 시 광전극과 태양 전지를 모두 사용하는 시스템을 의미할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 통상의 기술자라면 본 발명의 본질적인 특성이 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능할 것이다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
100: 해수 전지
110: 양극부
112: 제1 캐소드
114: 제2 캐소드
120: 음극부
122: 애노드
130: 고체 전해질
140: 퍼텐쇼스탯
800: 해수 전지
810: 태양 전지

Claims (11)

  1. 해수 전지에 있어서,
    유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부;
    해수에 함침되는 제1 캐소드(cathode) 및 제2 캐소드를 포함하는 양극부; 및
    상기 양극부와 상기 음극부 사이에 위치하여 상기 양극부와 상기 음극부를 분리하는 고체 전해질;
    을 포함하고,
    상기 제1 캐소드는, 광전극을 포함하고 상기 해수 전지의 충전 시 사용되며,
    상기 제2 캐소드는, 상기 해수 전지의 방전 시 사용되고,
    상기 제1 캐소드에 대한 전도대(conduction band, CB)와 가전자대(valence band, VB) 간 밴드갭(band gap)은 물 분해가 일어나는 전위를 포함하는,
    해수 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 캐소드는, 카본 펠트, 카본 페이퍼, 카본 파이버 및 금속 박막 중 적어도 하나를 포함하는,
    해수 전지.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 캐소드는,
    전도성 기판 및 상기 전도성 기판 상에 위치하는 광흡수층을 포함하는,
    해수 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광흡수층은,
    TiO2, ZnO, C3N4, WO3, Bi2WO6, BiVO4, CdS, TaON, CuWO4, ZnFe2O4, Fe2O3, Ta3N5 및 CaFe2O4 중 적어도 하나로 구성된 반도체를 포함하는,
    해수 전지.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 캐소드에 대한 전도대와 가전자대 간 밴드갭의 크기는, 임계값 이하이고,
    상기 임계값은, 전자 여기(electron excitation)가 일어나는 밴드갭의 최대 크기를 포함하는,
    해수 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 캐소드는, 태양 전지와 서로 부착되어 일체를 이루는 탠덤(tandem) 구조를 구성하는,
    해수 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 태양 전지는, 충전 시 상기 제1 캐소드에 광전압을 공급하는,
    해수 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 캐소드와 태양 전지는, 하나의 소자로 구성되는,
    해수 전지.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 탠덤 구조는, 상기 제1 캐소드와 상기 태양 전지를 적층시킨 복층 구조를 포함하는,
    해수 전지.
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