KR102132825B1 - Photoelectrode comprising catalyst binding layer, preparing method for the photoelectrode, and photoelectrochemical cell comprising the photoelectrode - Google Patents

Photoelectrode comprising catalyst binding layer, preparing method for the photoelectrode, and photoelectrochemical cell comprising the photoelectrode Download PDF

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Abstract

본원은, 촉매 유지층을 포함하는 광전극, 이의 제조 방법, 및 상기 광전극을 포함하는 광전기화학 셀을 제공한다.The present application provides a photoelectrode comprising a catalyst holding layer, a method for manufacturing the same, and a photoelectrochemical cell comprising the photoelectrode.

Description

촉매 유지층을 포함하는 광전극, 이의 제조 방법, 및 상기 광전극을 포함하는 광전기화학 셀{PHOTOELECTRODE COMPRISING CATALYST BINDING LAYER, PREPARING METHOD FOR THE PHOTOELECTRODE, AND PHOTOELECTROCHEMICAL CELL COMPRISING THE PHOTOELECTRODE}A photoelectrode comprising a catalyst holding layer, a method for manufacturing the same, and a photoelectrochemical cell comprising the photoelectrode TECHNICAL PHOTOELECTRODE COMPRISING CATALYST BINDING LAYER

본원은, 촉매 유지층을 포함하는 광전극, 이의 제조 방법, 및 상기 광전극을 포함하는 광전기화학 셀에 관한 것이다.The present application relates to a photoelectrode comprising a catalyst holding layer, a method for manufacturing the same, and a photoelectrochemical cell comprising the photoelectrode.

최근, 친환경 자원에 대한 관심이 증가함에 따라, 태양광 및 물을 이용한 수소 및 산소 발생 시스템에 관한 연구가 진행되고 있다. Recently, as interest in eco-friendly resources has increased, studies on hydrogen and oxygen generation systems using sunlight and water have been conducted.

물 분해 (water splitting) 광전극에 있어서, 상기 광전극은 일반적으로 기판/전극/광 활성층/촉매의 구조를 가지며, 광전극 작동시 캐소드에서는 태양광으로부터 전자를 받아 물이 환원되어 수소가 생성되고, 애노드에서는 전자를 잃게 되어 물이 산화되어 산소가 생성된다.In a water splitting photoelectrode, the photoelectrode generally has a structure of a substrate/electrode/photoactive layer/catalyst, and when the photoelectrode is operated, the cathode receives electrons from sunlight and water is reduced to produce hydrogen. At the anode, electrons are lost, and water is oxidized to produce oxygen.

이와 관련하여, 대한민국 등록특허 제10-1724690호는, 양극산화를 통한 철-니켈 기반 물 분해 촉매전극의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 물 분해 촉매전극을 개시하고 있다.In this regard, Korean Patent Registration No. 10-1724690 discloses a method for manufacturing an iron-nickel based water decomposition catalyst electrode through anodization and a water decomposition catalyst electrode prepared accordingly.

한편, 캐소드용 광전극의 촉매로서 주로 금속 촉매가 사용되는데, 이러한 금속 촉매가 사용되는 경우 산화-환원 반응이 시작된 후로 얼마 지나지 않아 광 활성층으로부터 상기 금속 촉매가 떨어져 나가게 되어, 시간이 지남에 따라 광전극의 안정성(stability) 또는 지속가능성(sustainability)이 떨어지는 문제점이 있다.On the other hand, a metal catalyst is mainly used as a catalyst for the cathode photoelectrode, and when the metal catalyst is used, the metal catalyst is separated from the photoactive layer shortly after the oxidation-reduction reaction is started. There is a problem that the stability (stability) or the sustainability (sustainability) of the electrode is poor.

아울러, 종래 캐소드용 광전극의 경우, 금속 촉매간의 서로 뭉치는 현상 (segregation)이 발생하고, 광 활성층으로부터 떨어져 나온 금속 촉매가 광전극 내부 또는 전해질 쪽으로 확산되어, 시간이 지남에 따라 광전극의 광전기화학적 특성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.In addition, in the case of a conventional cathode photoelectrode, segregation between metal catalysts occurs, and the metal catalyst separated from the photoactive layer diffuses inside the photoelectrode or toward the electrolyte, and the photoelectron of the photoelectrode over time A problem that the chemical properties are deteriorated may occur.

본원은, 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 촉매 유지층을 포함하는 광전극, 이의 제조 방법, 및 상기 광전극을 포함하는 광전기화학 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present application is to provide a photoelectrode comprising a catalyst holding layer, a method for manufacturing the same, and a photoelectrochemical cell comprising the photoelectrode as invented to solve the above-mentioned problems.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present application are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본원의 제 1 측면은, 기재 상에 형성되는 전극; 상기 전극 상에 형성되고 빛을 받아 전자를 생성하는 광 활성층; 상기 광 활성층 상에 형성되고 상기 전자의 이동성을 향상시키는 촉매 유지층; 및 상기 촉매 유지층 상에 형성되고 금속 촉매를 함유하는 촉매층을 포함하는, 캐소드용 광전극으로서, 상기 촉매 유지층은 상기 촉매층에 함유된 금속 촉매를 바인딩(binding)하여, 상기 금속 촉매가 상기 촉매층으로부터 분리되는 것을 저감하는 것인, 캐소드용 광전극을 제공한다.The first aspect of the present application includes an electrode formed on a substrate; A photoactive layer formed on the electrode and receiving light to generate electrons; A catalyst holding layer formed on the photoactive layer and improving the mobility of the electrons; And a catalyst layer formed on the catalyst holding layer and containing a metal catalyst, wherein the catalyst holding layer binds a metal catalyst contained in the catalyst layer, so that the metal catalyst is the catalyst layer. Provided is a cathode for reducing the separation from the photoelectrode.

본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 광전극; 상기 광전극에 전기적으로 연결된 상대 전극; 및 전해질을 포함하는, 광전기화학 셀을 제공한다.The second aspect of the present application includes a photoelectrode according to the first aspect of the present application; A counter electrode electrically connected to the photoelectrode; And it provides an electrochemical cell, comprising an electrolyte.

본원의 제 3 측면은, 기재 상에 전극을 형성하는 단계; 상기 전극 상에서 빛을 받아 전자를 생성하는 광 활성층을 형성하는 단계; 상기 광 활성층 상에서 상기 전자의 이동성을 향상시키는 촉매 유지층을 형성하는 단계; 및 상기 촉매 유지층 상에서 금속 촉매를 함유하는 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는, 캐소드용 광전극의 제조 방법으로서, 상기 촉매 유지층은 상기 촉매층에 함유된 금속 촉매를 바인딩(binding)하여, 상기 금속 촉매가 상기 촉매층으로부터 분리되는 것을 저감하는 것인, 캐소드용 광전극의 제조 방법을 제공한다.A third aspect of the present application includes forming an electrode on a substrate; Forming a photoactive layer that generates electrons by receiving light on the electrode; Forming a catalyst holding layer to improve the mobility of the electrons on the photoactive layer; And forming a catalyst layer containing a metal catalyst on the catalyst holding layer, wherein the catalyst holding layer binds a metal catalyst contained in the catalyst layer to the metal. It provides a method for manufacturing a cathode photoelectrode, which reduces the separation of the catalyst from the catalyst layer.

본원의 구현예들에 의하여, 상기 촉매 유지층은 상기 광 활성층에서 생성된 전자의 이동성을 향상시켜 상기 광전극의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 상기 촉매 유지층은 전해질 용액 내에서 기재, 전극, 광 활성층, 또는 버퍼층과 같은 전극의 내부 구조체의 부식을 방지하여 상기 광전극의 안정성 및 내구도를 향상시킬 수 있다. 이외에도, 상기 촉매 유지층은 상기 촉매층에 함유된 금속 촉매를 바인딩(binding)함으로써, 상기 금속 촉매가 상기 촉매층으로부터 분리되어 상기 광전극 내부로 확산되거나 서로 뭉치는 현상(segregation)을 저감하고, 상기 촉매 물질이 상기 광전극 외부의 전해질로 이동하는 것을 저감할 수 있어, 촉매 손실을 줄이고 상기 캐소드용 광전극의 광전기화학적 특성(광전 변환 효율) 및 안정성을 향상시킬 수 있다.According to the embodiments of the present application, the catalyst holding layer may improve the mobility of electrons generated in the photoactive layer to improve the photoelectric conversion efficiency of the photoelectrode. In addition, the catalyst holding layer may improve the stability and durability of the photoelectrode by preventing corrosion of the internal structure of the electrode, such as a substrate, an electrode, a photoactive layer, or a buffer layer, in an electrolyte solution. In addition, the catalyst holding layer binds a metal catalyst contained in the catalyst layer, thereby reducing the segregation of the metal catalyst from being separated from the catalyst layer and diffusing into the photoelectrode or aggregating each other. It is possible to reduce the material from moving to the electrolyte outside the photoelectrode, thereby reducing catalyst loss and improving the photoelectrochemical properties (photoelectric conversion efficiency) and stability of the cathode photoelectrode.

본원의 구현예들에 의하여, 상기 캐소드용 광전극을 제조하는 방법은, 상기 촉매 유지층을 형성하는 단계가 스프레이 코팅 방식에 의함으로써 70℃의 낮은 공정 온도에서 건조가 일어나는 비진공 방식으로 빠른 시간(30분) 내에 종료되기 때문에, 공정이 비교적 간단하여 비용 절감 효과를 가지는 장점이 있다.According to the embodiments of the present application, the method for manufacturing the cathode photoelectrode is a fast time in a non-vacuum method in which drying is performed at a low process temperature of 70° C. by forming the catalyst holding layer by a spray coating method. Since it is finished within (30 minutes), the process is relatively simple, which has the advantage of cost reduction.

도 1은, 광전극의 전체 구조에 대한 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는, 광전극의 제조 방법을 나타낸 순서도로서, 도 2a는 전극/광 활성층/촉매 유지층/촉매층의 적층 구조를 가진 광전극의 제조 방법을, 도 2b는 전극/광 활성층/ 버퍼층/촉매 유지층/촉매층의 적층 구조를 가진 광전극의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은, 촉매 유지층을 형성하는 단계를 나타낸 모식도이다.
도 4는, 촉매 유지층을 포함함으로써 얻게 되는 효과에 관한 모식도이다.
도 5는, 광전극의 광전기화학적 전류-포텐셜 특성 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은, Pt촉매를 함유하는 광전극의 광전기화학적 안정성 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은, 광전극의 Pt촉매 잔류량에 대한 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은, Ni-Mo 촉매를 함유하는 광전극의 안정성 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는, Co 촉매를 함유하는 광전극의 안정성 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
1 shows a schematic diagram of the overall structure of a photoelectrode.
Figure 2 is a flow chart showing a method of manufacturing a photoelectrode, Figure 2a is a method of manufacturing a photoelectrode having a layered structure of an electrode/photoactive layer/catalyst holding layer/catalyst layer, Figure 2b is an electrode/photoactive layer/buffer layer/catalyst It is a flow chart showing a method of manufacturing a photoelectrode having a stacked structure of a holding layer/catalyst layer.
3 is a schematic view showing a step of forming a catalyst holding layer.
4 is a schematic diagram of the effect obtained by including a catalyst holding layer.
5 is a graph showing the results of photoelectrochemical current-potential characteristics analysis of a photoelectrode.
6 is a graph showing the results of photoelectrochemical stability analysis of a photoelectrode containing a Pt catalyst.
7 is a graph showing the results of XPS analysis of the residual amount of Pt catalyst in the photoelectrode.
8 is a graph showing the stability analysis results of a photoelectrode containing a Ni-Mo catalyst.
9 is a graph showing the stability analysis results of a photoelectrode containing a Co catalyst.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present application will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present application pertains may easily practice. However, the present application may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present application in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is "connected" to another part, this includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another element in between. do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when one member is positioned “on” another member, this includes not only the case where one member abuts another member, but also the case where another member exists between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the present specification, when a part “includes” a certain component, it means that the component may further include other components, not to exclude other components, unless otherwise stated.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. The terms "about", "substantially", and the like, as used throughout this specification, are used in or at a value close to that value when manufacturing and material tolerances specific to the stated meaning are given, and are understood herein. To help, accurate or absolute figures are used to prevent unconscionable abusers from unduly using the disclosed disclosure.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.The term “~(steps)” or “steps of” to the extent used throughout this specification does not mean “steps for”.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout the present specification, the term “combination(s)” included in the expression of the marki form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the components described in the expression of the marki form, It means to include one or more selected from the group consisting of the above components.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를의미한다. Throughout this specification, the description of “A and/or B” means “A or B, or A and B”.

본원의 제 1 측면은, 기재 상에 형성되는 전극; 상기 전극 상에 형성되고 빛을 받아 전자를 생성하는 광 활성층; 상기 광 활성층 상에 형성되고 상기 전자의 이동성을 향상시키는 촉매 유지층; 및 상기 촉매 유지층 상에 형성되고 금속 촉매를 함유하는 촉매층을 포함하는, 캐소드용 광전극으로서, 상기 촉매 유지층은 상기 촉매층에 함유된 금속 촉매를 바인딩(binding)하여, 상기 금속 촉매가 상기 촉매층으로부터 분리되는 것을 저감하는 것인, 캐소드용 광전극을 제공한다.The first aspect of the present application includes an electrode formed on a substrate; A photoactive layer formed on the electrode and receiving light to generate electrons; A catalyst holding layer formed on the photoactive layer and improving the mobility of the electrons; And a catalyst layer formed on the catalyst holding layer and containing a metal catalyst, wherein the catalyst holding layer binds a metal catalyst contained in the catalyst layer, so that the metal catalyst is the catalyst layer. Provided is a cathode for reducing the separation from the photoelectrode.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광전극은 캐소드로서 사용될 수 있으며, 예를 들어, 물 분해 (water splitting)에 사용되는 경우, 상기 광전극에서는 수소 이온이 전자와 결합하는 환원 (reduction) 반응에 의해 수소가 발생할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, the photoelectrode may be used as a cathode, for example, when used for water splitting, in the photoelectrode, a hydrogen ion reacts with a reduction reaction in which electrons bind with electrons. Hydrogen may be generated, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 캐소드용 광전극은 외부 광원으로부터 빛을 받아들이는 광 흡수층과 전해질로부터 광 흡수층을 보호하는 동시에 전하 전달 성능이 향상되고, 금속 촉매의 분리를 저감 또는 방지하는 촉매 유지층, 및 상기 광 흡수층으로부터 생성된 후 촉매 유지층을 통과하는 전자를 받아들여 전기화학적 반응이 일어나는 촉매층을 포함하는 광전극일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, the cathode photoelectrode protects a light absorbing layer that receives light from an external light source and a light absorbing layer from an electrolyte while simultaneously improving charge transfer performance and maintaining a catalyst that reduces or prevents separation of metal catalysts. It may be a photoelectrode including a layer and a catalyst layer generated by the light absorbing layer and passing through the catalyst holding layer to undergo an electrochemical reaction, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 캐소드용 광전극의 촉매 유지층은, 전해질에 의한 광전극의 부식 저항성을 향상시키고, 광 활성층과 금속 촉매 또는 버퍼층과 금속 촉매와의 계면 결합력을 향상시킬 수 있으며, 광전극 내부를 보호하고, 전하 전달을 향상시키며, 금속 촉매의 광전극 내부로의 확산을 저감 또는 방지하는 역할을 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. In one embodiment of the present application, the catalytic holding layer of the cathode photoelectrode may improve corrosion resistance of the photoelectrode by the electrolyte, and improve the interfacial bonding force between the photoactive layer and the metal catalyst or the buffer layer and the metal catalyst, , May protect the inside of the photoelectrode, improve charge transfer, and serve to reduce or prevent diffusion of the metal catalyst into the photoelectrode, but are not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광전극은 상기 광 활성층과 상기 촉매 유지층 사이 또는 상기 전극과 상기 광 활성층 사이에 버퍼층을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, the photoelectrode may further include a buffer layer between the photoactive layer and the catalyst holding layer or between the electrode and the photoactive layer, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광전극은 전극/광 활성층/버퍼층/촉매 유지층/촉매층 또는 전극/버퍼층/광 활성층/촉매 유지층/촉매층 의 적층 순서를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, the photoelectrode may have an electrode/photoactive layer/buffer layer/catalyst holding layer/catalyst layer or an electrode/buffer layer/photoactive layer/catalyst holding layer/catalyst layer stacking order, but is not limited thereto. .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 촉매 유지층은 탄소질 재료를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, the catalyst holding layer may include a carbonaceous material, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소질 재료는 환원된 그래핀 옥사이드(rGO) 또는 그래핀산화물(GO)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, the carbonaceous material may include reduced graphene oxide (rGO) or graphene oxide (GO), but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 촉매 유지층의 두께는 약0.3 nm 내지 약3 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, the thickness of the catalyst holding layer may be about 0.3 nm to about 3 nm, but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 촉매 유지층의 두께는 약 0.3 nm 내지 약 3 nm, 약 0.3 nm 내지 약 2.5 nm, 약 0.3 nm 내지 약 2 nm, 약 0.3 nm 내지 약 1.5 nm, 약 0.3 nm 내지 약 1 nm, 약 1 nm 내지 약 3 nm, 약 1 nm 내지 약 2.5 nm, 약 1 nm 내지 약 2 nm, 약 1 nm 내지 약 1.5 nm, 약 1.5 nm 내지 약 3 nm, 약 1.5 nm 내지 약 2.5 nm, 약 1.5 nm 내지 약 2 nm, 약 2 nm 내지 약 3 nm, 약 2 nm 내지 약 2.5 nm, 또는 약 2.5 nm 내지 약 3 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the thickness of the catalyst holding layer is about 0.3 nm to about 3 nm, about 0.3 nm to about 2.5 nm, about 0.3 nm to about 2 nm, about 0.3 nm to about 1.5 nm, about 0.3 nm to about 1 nm , About 1 nm to about 3 nm, about 1 nm to about 2.5 nm, about 1 nm to about 2 nm, about 1 nm to about 1.5 nm, about 1.5 nm to about 3 nm, about 1.5 nm to about 2.5 nm, about 1.5 nm to about 2 nm, about 2 nm to about 3 nm, about 2 nm to about 2.5 nm, or about 2.5 nm to about 3 nm, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 촉매 유지층의 두께가 약 0.3 nm 보다 작은 경우 촉매 유지층의 절대량이 작아지기 때문에 표면 덮힘률(surface coverage)이 감소하여 전해질의 침투로 인한 부식과 촉매의 손실이 발생할 수 있으며, 상기 촉매 유지층의 두께가 약 3 nm보다 큰 경우 촉매 유지층이 서로 반데르발스 힘에 의해 분리될 수 있고, 부식과 촉매의 손실이 발생할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, when the thickness of the catalyst holding layer is less than about 0.3 nm, since the absolute amount of the catalyst holding layer decreases, surface coverage decreases, resulting in corrosion and catalyst loss due to electrolyte penetration. This may occur, and when the thickness of the catalyst holding layer is greater than about 3 nm, the catalyst holding layers may be separated from each other by van der Waals forces, and corrosion and loss of catalyst may occur, but are not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 촉매 유지층은 상기 촉매 유지층 내부에서 전자의 이동성을 향상시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, the catalyst holding layer may be to improve the mobility of electrons inside the catalyst holding layer, but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 촉매 유지층으로서 환원된 그래핀 옥사이드(rGO)를 사용하는 경우, 환원되지 않은 그래핀 옥사이드(GO)의 경우보다 환원된 그래핀 옥사이드(rGO)의 경우에 탄소 원자간 거리가 더 짧아짐으로써 전자의 이동성을 향상시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. For example, when the reduced graphene oxide (rGO) is used as the catalyst holding layer, the distance between carbon atoms is reduced in the case of reduced graphene oxide (rGO) than in the case of unreduced graphene oxide (GO). It may be to improve the mobility of electrons by shorter, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 촉매 유지층은 상기 촉매층에 함유된 금속 촉매를 바인딩(binding)하여 상기 금속 촉매가 상기 촉매층으로부터 분리되는 것을 저감 또는 방지하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. In one embodiment of the present application, the catalyst holding layer may be to reduce or prevent separation of the metal catalyst from the catalyst layer by binding a metal catalyst contained in the catalyst layer, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 촉매가 상기 촉매층으로부터 분리되는 것은, 상기 금속 촉매가 전해질로 분리되거나 광전극 내부 구조(예를 들어, 버퍼층)로 확산되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, the separation of the metal catalyst from the catalyst layer may include the separation of the metal catalyst into an electrolyte or diffusion into an internal structure of a photoelectrode (eg, a buffer layer), but is not limited thereto. Does not.

예를 들어, 상기 촉매 유지층으로서 환원된 그래핀 옥사이드(rGO)가 사용되는 경우, 상기 환원된 그래핀 옥사이드는 상기 촉매층과의 계면에서 작용기(functional group)를 가질 수 있고, 상기 작용기가 상기 금속 촉매를 바인딩함으로써 상기 금속 촉매가 상기 촉매층으로부터 분리되는 것을 저감 또는 방지할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, when reduced graphene oxide (rGO) is used as the catalyst holding layer, the reduced graphene oxide may have a functional group at the interface with the catalyst layer, and the functional group may be the metal. By binding the catalyst, the metal catalyst can be reduced or prevented from being separated from the catalyst layer, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 작용기는, 예를 들어, 산화 종(oxygenated species), 불포화 결합(dangling bond), 또는 킹크(kink)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, the functional group may include, but is not limited to, an oxidized species, an unsaturated bond, or a kink, for example.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 촉매층은 Pt, Co, Rh, Ir, Ru, Re, Au, Ag, Cu, Ni, Mo, Fe, Sn, Bi, Zn, Ga, Pb, Sn, Ti, In, Cd, W, Ta, Nb, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 원소를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, the catalyst layer is Pt, Co, Rh, Ir, Ru, Re, Au, Ag, Cu, Ni, Mo, Fe, Sn, Bi, Zn, Ga, Pb, Sn, Ti, In , Cd, W, Ta, Nb, and combinations thereof, but may include metal elements selected from the group.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 캐소드용 광전극의 상기 촉매층이 금속 촉매를 함유함으로써, 상기 광전극이 전해질 내에서 산화-환원 반응 (redox)을 위한 적정한 결합에너지를 가지면서 동시에 높은 교환전류밀도 (exchange current density)를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 수소 이온과 금속 촉매의 결합에너지가 너무 작은 경우에는 수소 이온이 잘 떨어지게 되므로 환원 반응이 일어나기 어려우며, 결합에너지가 너무 큰 경우에는 환원된 수소 기체가 금속 촉매로부터 탈착되기 어려우므로, 촉매 활성을 저하시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, since the catalyst layer of the cathode photoelectrode contains a metal catalyst, the photoelectrode has an appropriate binding energy for an oxidation-reduction reaction (redox) in the electrolyte, and at the same time a high exchange current density. (exchange current density), but is not limited thereto. For example, if the binding energy between the hydrogen ion and the metal catalyst is too small, the hydrogen ion will fall off easily, so the reduction reaction is difficult to occur, and if the binding energy is too large, the reduced hydrogen gas is difficult to desorb from the metal catalyst, so the catalyst It can lower the activity, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 촉매층 내의 상기 금속 촉매는 연속적으로 또는 불연속적으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, the metal catalyst in the catalyst layer may be formed continuously or discontinuously, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 촉매층은, 예를 들어 나노입자(nanoparticle), 박막(thin film), 또는 3차원 나노구조체 (3D nanostructure) 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, the catalyst layer may be, for example, nanoparticles, thin films, or 3D nanostructures, but is not limited thereto.

본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 광전극; 상기 광전극에 전기적으로 연결된 상대 전극; 및 전해질을 포함하는, 광전기화학 셀을 제공한다.The second aspect of the present application includes a photoelectrode according to the first aspect of the present application; A counter electrode electrically connected to the photoelectrode; And it provides an electrochemical cell, comprising an electrolyte.

본원의 제 1 측면의 광전극에 관한 모든 내용은, 본원의 제 2 측면에 모두 적용될 수 있으며, 기재를 생략하였다고 하여 본원의 제 2 측면에서 그 적용이 배제되는 것은 아니다.All the contents related to the photoelectrode of the first aspect of the present application can be applied to all of the second aspect of the present application, and the application thereof is not excluded from the second aspect of the present application because the description is omitted.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상대 전극 및 상기 전해질은 본원의 기술 분야인 광전극 활용 분야에서 일반적으로 통용되는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 상대 전극은 Au, Cu, Ag, Pt, Pd, Rh, Ir, Re, Ni, Co, Mo, Nb, IrOx, RuOx, PdOx, NiOx 전극일 수 있으며, 상기 전해질은 H+ 와 OH- 를 포함하는 pH 0 내지 14 사이의 값을 가지는 용액일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, the counter electrode and the electrolyte may be generally used in the photoelectrode application field, which is a technical field of the present application. For example, the counter electrode may be Au, Cu, Ag, Pt, Pd, Rh, Ir, Re, Ni, Co, Mo, Nb, IrOx, RuOx, PdOx, NiOx electrode, and the electrolyte may be H + and It may be a solution having a value between 0 and 14 containing OH - , but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광전기화학 셀은 물을 분해하여 수소 또는 산소를 발생시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, the photoelectrochemical cell may be to generate hydrogen or oxygen by decomposing water, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광전기화학 셀은 이산화탄소를 환원시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, the photoelectrochemical cell may be one that reduces carbon dioxide, but is not limited thereto.

본원의 제 3 측면은, 기재 상에 전극을 형성하는 단계; 상기 전극 상에서 빛을 받아 전자를 생성하는 광 활성층을 형성하는 단계; 상기 광 활성층 상에서 상기 전자의 이동성을 향상시키는 촉매 유지층을 형성하는 단계; 및 상기 촉매 유지층 상에서 금속 촉매를 함유하는 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는, 캐소드용 광전극의 제조 방법을 제공한다.A third aspect of the present application includes forming an electrode on a substrate; Forming a photoactive layer that generates electrons by receiving light on the electrode; Forming a catalyst holding layer to improve the mobility of the electrons on the photoactive layer; And forming a catalyst layer containing a metal catalyst on the catalyst holding layer.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 촉매 유지층을 형성하는 단계는 스프레이 코팅 방식을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, the step of forming the catalyst holding layer may include a spray coating method, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 스프레이 코팅 방식에 의하여 촉매 유지층이 형성됨으로써, 70℃의 낮은 공정 온도에서 비진공 방식으로 빠른 시간(30분) 내에 종료되기 때문에, 비용 절감 효과를 가지며 공정이 비교적 간단한 특징이 있다. 또한, 상기 촉매 유지층은 2~3 번 만의 스프레이 코팅(spray coating) 으로 형성이 되기 때문에, 수 원자 층(atomic layer) 단위로 형성이 되어 유리 기판과 거의 동일한 투과도를 가지게 되며, 이로 인하여 rGO 에 의한 입사광의 손실은 거의 무시될 수 있는 장점이 있다.In one embodiment of the present application, since the catalyst holding layer is formed by the spray coating method, it is terminated within a fast time (30 minutes) in a non-vacuum method at a low process temperature of 70° C. It has a relatively simple feature. In addition, since the catalyst holding layer is formed by spray coating of only 2 to 3 times, it is formed in units of atomic layers and has almost the same permeability as the glass substrate. There is an advantage that the loss of incident light can be almost neglected.

이하, 도면 및 본원의 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명하며, 본 실시예에 의하여 본원의 범위가 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the drawings and the embodiments of the present application will be described in more detail, and the scope of the present application is not limited by the examples.

[[ 실시예Example ]]

<광전극의 제조><Production of photoelectrodes>

도 1은, 본원의 일 실시예에 있어서, 광전극의 전체 모식도를 나타낸 것이고, 도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, 광전극의 제조 방법을 나타낸 순서도로서, 도 2a는 전극/광 활성층/촉매 유지층/촉매층의 적층 구조를 가진 광전극을 제조하는 방법을, 도 2b는 전극/광 활성층/ 버퍼층/촉매 유지층/촉매층의 적층 구조를 가진 광전극을 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다.1 is, in one embodiment of the present application, shows the overall schematic diagram of the photoelectrode, and FIG. 2 is a flow chart showing a method of manufacturing the photoelectrode in one embodiment of the present application, and FIG. 2a is the electrode/photoactive layer A method of manufacturing a photoelectrode having a layered structure of /catalyst holding layer/catalyst layer, and FIG. 2B is a flowchart showing a method of manufacturing a photoelectrode having a layered structure of electrode/photoactive layer/buffer layer/catalyst holding layer/catalyst layer.

기재(110)는, 유리(glass) 기판으로서 투명하고 딱딱한(rigid) 것이 사용되었다. 그러나, 이에 제한되지 않고 불투명하거나 반투명한 것도 사용될 수 있으며, 구부러질 수 있는(flexible) 것도 사용될 수 있다. 예를 들어, 투명 기재로서 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트 (polyethylene naphthalate, PI), 또는 무색의 폴리이미드(colorless polyimide)가 사용될 수 있으며, 불투명 기재로서 스테인레스 스틸 (stainless steel, SUS) 또는 폴리이미드 (polyimide, PI) 가 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.As the substrate 110, a transparent and rigid one was used as a glass substrate. However, the present invention is not limited thereto, and an opaque or translucent one may be used, and a flexible one may also be used. For example, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PI), or colorless polyimide may be used as the transparent substrate, and stainless steel as an opaque substrate (stainless steel, SUS) or polyimide (PI) may be used, but is not limited thereto.

본 실시예에서, 전극(120)은 몰리브덴 (Molybdenum, Mo)이 사용되었으며, 스퍼터 증착 방법(Sputter deposition)을 통하여 두께 약 700 nm 수준의 전극이 형성되었다.In the present embodiment, molybdenum (Mo) was used as the electrode 120, and an electrode having a thickness of about 700 nm was formed through a sputter deposition method.

광 활성층(130)으로서, Cu(In,Ga)Se2 (이하 'CIGS') 물질이 사용되었다. As the photoactive layer 130, a Cu(In,Ga)Se 2 (hereinafter “CIGS”) material was used.

상기 광 활성층(130)은, 스퍼터 증착 방법에 의하여 형성되었으며, 유리/Mo 기판의 온도는 350℃로 유지되었고 스퍼터링(sputtering)을 위하여 Ar 은 3 mTorr로 유지되었다. 상기 조건에서 In 과 Ga 를 코-스퍼터링(co-sputtering) 하였고 그 위에 Cu 을 스퍼터링 하였다. 상기와 같이 In,Ga/Cu 를 형성하는 것을 1 사이클로 정의하였다. 상기 과정을 통하여 광 활성층의 두께가 약1.5 μm 내지 약1.7 μm 가 될 때까지 10 사이클 정도를 반복하였다. 마지막으로 약400℃ 부근에서 셀레늄(Se) 과압력(overpressure) 조건으로 열처리 하였다 (selenization). 이 과정을 통하여 다결정(polycrystalline) Cu0 . 9(In0.7Ga0.3)Se2 조성물이 제조되었으며, 본 실시예에서 상기 광 활성층(130)은 약 1.5 μm 두께로 제조되었다. 상기 제조된 광 활성층(130)은 빛을 흡수하여 전하(전자-정공 쌍)를 생성하고, p형 반도체로서 역할을 하였다.The photoactive layer 130 was formed by a sputter deposition method, the temperature of the glass/Mo substrate was maintained at 350°C, and Ar was maintained at 3 mTorr for sputtering. In the above conditions, In and Ga were co-sputtered, and Cu was sputtered thereon. Forming In,Ga/Cu as described above was defined as one cycle. Through the above process, about 10 cycles were repeated until the thickness of the photoactive layer was about 1.5 μm to about 1.7 μm. Finally, heat treatment was performed under selenium (Se) overpressure conditions at around 400°C (selenization). Through this process, polycrystalline Cu 0 . 9 (In 0.7 Ga 0.3 )Se 2 composition was prepared, and in this embodiment, the photoactive layer 130 was manufactured to a thickness of about 1.5 μm. The prepared photoactive layer 130 absorbs light to generate charges (electron-hole pairs), and serves as a p-type semiconductor.

상기 광 활성층(130)은 상기 CIGS 외에도, 예를 들어, 다원계 칼코게나이드(Multinary chalcogenide)를 포함할 수 있다. 상기 다원계 칼코게나이드는, 이원계(binary), 삼원계(ternary), 사원계(quaternary) 칼코게나이드 등을 포함할 수 있다. 이 물질군은 Cu, In, Ga, Zn, Sn, Sb, 또는 Ag 중 적어도 한 개의 원소 및 S, Se, Te, 또는 Ge 중 적어도 한 개 원소를 포함하는 화합물일 수 있다. 예를 들어, 이원계 칼코게나이드로서 SnS, SnSe, Sb2S3, Sb2Se3, CdTe 등, 삼원계 칼코게나이드로서 CuGaS2(CGS), CuGaSe2 (CGSe), CuInS2 (CIS), CuInSe2 (CISe), CuInTe2, CuAlSe2, AgInSe2 등, 또는 사원계 칼코게나이드로서 Cu(In,Ga)Se2(CIGS), Cu2ZnSnS4(CZTS), Cu2ZnSnSe4(CZTSe), Ag2ZnSnS4 등이 포함될 수 있다.In addition to the CIGS, the photoactive layer 130 may include, for example, multinary chalcogenide. The polyvalent chalcogenide may include binary, ternary, quaternary chalcogenide, and the like. The material group may be a compound including at least one element of Cu, In, Ga, Zn, Sn, Sb, or Ag and at least one element of S, Se, Te, or Ge. For example, as binary chalcogenide SnS, SnSe, Sb 2 S 3 , Sb 2 Se 3 , CdTe, etc., as ternary chalcogenide CuGaS 2 (CGS), CuGaSe 2 ( CGSe), CuInS 2 ( CIS), CuInSe 2 ( CISe), CuInTe 2 , CuAlSe 2 , AgInSe 2 As the quaternary chalcogenide, Cu(In,Ga)Se 2( CIGS), Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS), Cu 2 ZnSnSe 4 (CZTSe), Ag 2 ZnSnS 4, etc. may be included.

상기 광 활성층(130)은, 상기 스퍼터링 증착 방법 외에도, 진공 증착 방법으로서 열 동시 증착법(thermal co-evaporation), 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD), 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy), 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition, PLD), 또는 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등과, 비진공 증착 방법으로서 스핀 코팅(spin coating), 또는 전기 도금(electrodeposition) 등에 의하여 형성될 수 있다.The photoactive layer 130, in addition to the sputtering deposition method, as a vacuum deposition method, thermal co-evaporation, atomic layer deposition (ALD), molecular beam epitaxy, pulsed laser It may be formed by spin coating or electrodeposition as a non-vacuum deposition method, such as a vapor deposition method (pulsed laser deposition, PLD), or a chemical vapor deposition (CVD) method.

본 실시예에서 상기 광 활성층이 스퍼터링 증착 방법에 의하여 형성됨으로써, 상기 광 활성층의 조성은 정밀하게 조절될 수 있으며, 빽빽하고(compact) 큰 다결정구조(large polycrystalline grain)로 제조될 수 있는 장점이 있다.In this embodiment, the photoactive layer is formed by a sputtering deposition method, so that the composition of the photoactive layer can be precisely controlled, and there is an advantage that it can be made of a compact and large polycrystalline grain. .

버퍼층(140)으로서, 본 실시예에서는 CdS가 사용되었다.As the buffer layer 140, CdS was used in this embodiment.

상기 버퍼층(140)으로서사용될 수 있는 물질은 CdS 외에도, 예를 들어, 황화아연 (zinc sulfide; ZnS), 황화인듐 (indium sulfide; In2S3), 아연주석산화물 (zinc tin oxide; ZnxSnyOz), 아연마그네슘산화물 (zinc magnesium oxide; ZnxMgyOz), 아연티타늄산화물 (zinc titanium oxide; ZnxTiyOz), 티타늄산화물 (TiO2), 황화카드뮴산화물 (cadmium oxy sulfide; Cd(O,S)), 황화아연산화물 (Zn(O,S)), 아연 셀레늄 (ZnSe) 등이 포함될 수 있다.Materials that can be used as the buffer layer 140 include, in addition to CdS, for example, zinc sulfide (ZnS), indium sulfide (In 2 S 3 ), zinc tin oxide (Zn x Sn) y O z ), zinc magnesium oxide (Zn x Mg y O z ), zinc titanium oxide (Zn x Ti y O z ), titanium oxide (TiO 2 ), cadmium oxyoxide (cadmium oxy sulfide; Cd(O,S)), zinc sulfide oxide (Zn(O,S)), zinc selenium (ZnSe), and the like.

상기 버퍼층(140)의 형성 방법으로서, 물 순환 용기(Water circulation bath) 의 온도는 90℃ 로 유지되었고, 이 용기에서 Cd 전구체 (200 mL 탈이온수에 용해된 CdSO-4 0.125 g), S 전구체 (100 mL 탈이온수에 용해된 Thiourea 1.52 g), 및 암모니아 40 mL (28 wt %) 가 혼합되었다. 이 때 유리/Mo/CIGS 샘플을 용액 안에 넣었고 내부 용기(inner bath) 의 온도가 65℃ 가 되었을 때 샘플을 제거하고 탈이온수(DI water) 로 세척(rinsing)하였다. 이후, N2 건(gun) 으로 탈이온수를 제거하였다. 상기한 방법에 의하여, 광 활성층(130)인 CIGS 표면에 생성된 불필요한 oxide가 제거되었고, 상기 광 활성층(130)의 굴곡을 따라서 균일하게 두께 약 50 nm의 버퍼층(140)이 형성되었다. As a method of forming the buffer layer 140, the temperature of the water circulation bath was maintained at 90°C, in which Cd precursor (0.125 g of CdSO- 4 dissolved in 200 mL deionized water), S precursor ( Thiourea 1.52 g) dissolved in 100 mL deionized water, and 40 mL (28 wt %) of ammonia were mixed. At this time, the glass/Mo/CIGS sample was placed in the solution, and when the temperature of the inner bath reached 65°C, the sample was removed and rinsed with DI water. Then, deionized water was removed with an N 2 gun. By the above-described method, unnecessary oxides generated on the CIGS surface of the photoactive layer 130 were removed, and a buffer layer 140 having a thickness of about 50 nm was uniformly formed along the curvature of the photoactive layer 130.

본 실시예의 CdS 버퍼층은, n형 반도체로서, 상기 광 활성층과 p-n 접합을 형성하여 전자-정공을 빠르게 분리(separation)시킬 수 있다. 특히, 광 활성층에 도달하는 빛의 손실을 최소화하기 위하여, 버퍼층으로 약 2.2 내지 약 2.4 eV 이상의 밴드갭을 가지는 물질을 사용하는 것이 유리하며, 전자 전도도가 높은 물질이 유리하다.The CdS buffer layer of the present embodiment is an n-type semiconductor, and can form a p-n junction with the photoactive layer to rapidly separate electron-holes. In particular, in order to minimize the loss of light reaching the photoactive layer, it is advantageous to use a material having a band gap of about 2.2 to about 2.4 eV or more as a buffer layer, and a material having high electron conductivity is advantageous.

본 실시예에서, 상기 버퍼층(140)은 화학적 용액 성장법(chemical bath deposition)에 의하여 제조되었다. 상기 버퍼층 형성 방법 이외에도, 예를 들어, 진공 증착 (열 증착법; thermal evaporation, 스퍼터링; sputtering, 원자층 증착법; atomic layer deposition, 분자선 에피탁시; molecular beam epitaxy, 화학적 기상 증착법; chemical vapor deposition 등) 과 비진공 증착 (화학적 용액 성장법; chemical bath deposition) 에 의할 수도 있다.In this embodiment, the buffer layer 140 was prepared by chemical bath deposition. In addition to the buffer layer forming method, for example, vacuum deposition (thermal evaporation method; thermal evaporation, sputtering; sputtering, atomic layer deposition method; atomic layer deposition, molecular beam epitaxy; molecular beam epitaxy, chemical vapor deposition method, chemical vapor deposition, etc.) and It may also be by non-vacuum deposition (chemical bath deposition).

촉매 유지층(150)으로서 본 실시예에서는 환원된 그래핀옥사이드(rGO) 가 사용되었다. 도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, 촉매 유지층이 형성되는 단계를 나타낸 모식도이다.In this embodiment, reduced graphene oxide (rGO) was used as the catalyst holding layer 150. 3 is a schematic diagram showing a step in which a catalyst holding layer is formed in one embodiment of the present application.

상기 촉매 유지층으로서 환원된 그래핀옥사이드(rGO)외에도, 예를 들어, 그래핀산화물(GO), 그래핀(graphene), 흑연(graphite) 등이 사용될 수 있다.In addition to the reduced graphene oxide (rGO) as the catalyst holding layer, for example, graphene oxide (GO), graphene (graphene), graphite (graphite), and the like can be used.

상기 환원된 그래핀옥사이드(rGO)를 제조하기 위하여, "modified Hummer's method" 방식으로 그래핀산화물(GO) 파우더가 준비되었다. 상기 그래핀산화물(GO)을 탈이온수(DI water)에 넣고 균일하게 분산시키기 위하여 약30 분 동안 초음파처리(ultrasonication) 하였다. 상기한 방법에 의하여 그래핀산화물 분산액(GO dispersion) 이 제조되었다(1 mg/mL). 상기 그래핀산화물 분산액(GO dispersion) 10 mL는 하이드라진 용액(hydrazine solution) 2 mL (35 wt % in water) 과 암모니아 15 mL (28 wt %) 와 함께 혼합되었다. 상기 혼합 용액이 들어있는 용기는 95℃로 가열되어 있는 용기(water bath) 에서 1 시간 동안 교반(stirring)되었고, 그 결과 용액 내에 검은색의 환원된 그래핀옥사이드 현탁액(rGO suspension)이 제조되었다. 상기 환원된 그래핀옥사이드 현탁액(rGO suspension) 은 "Teflon filter paper" (0.22 um pore size) 로 필터링(filtering) 되었고 남은 분말(powder)은 에탄올과 탈이온수로 여러 번 세척(rinsing)되었다. 정제된 환원된 그래핀옥사이드 분말(rGO powder) (0.01 mg/mL) 은 탈이온수와 에탄올의 혼합 용액 (3:7) 에서 30 분 동안 초음파처리(ultrasonication) 되었다. 상기 환원된 그래핀옥사이드 현탁액(rGO suspension: 152)은 약 0.3 mL 의 노즐 사이즈를 갖는 스프레이 건(spray gun: S)에 의하여 70 ℃로 가열된 기판 위에서 CIGS/CdS 에 대하여 2~3 차례 분사되었다. 그 결과, 상기 환원된 그래핀옥사이드 현탁액(rGO suspension: 152) 으로부터 여러 가지 농도의 rGO 층이 CIGS/CdS 위에 약 0.34 nm 내지 약 1 nm의 두께로 스프레이 코팅(spray coating)되었다. In order to prepare the reduced graphene oxide (rGO), a graphene oxide (GO) powder was prepared in a "modified Hummer's method" method. The graphene oxide (GO) was placed in deionized water (DI water) and subjected to ultrasonication for about 30 minutes to uniformly disperse it. A graphene oxide dispersion (GO dispersion) was prepared by the above method (1 mg/mL). 10 mL of the graphene oxide dispersion (GO dispersion) was mixed with 2 mL (35 wt% in water) of hydrazine solution and 15 mL (28 wt %) of ammonia. The container containing the mixed solution was stirred for 1 hour in a water bath heated to 95°C, and as a result, a black reduced graphene oxide suspension (rGO suspension) was prepared in the solution. The reduced graphene oxide suspension (rGO suspension) was filtered with "Teflon filter paper" (0.22 um pore size) and the remaining powder was washed several times with ethanol and deionized water. The purified reduced graphene oxide powder (rGO powder) (0.01 mg/mL) was sonicated for 30 minutes in a mixed solution of deionized water and ethanol (3:7). The reduced graphene oxide suspension (rGO suspension: 152) was sprayed 2-3 times against CIGS/CdS on a substrate heated to 70° C. by a spray gun (S) having a nozzle size of about 0.3 mL. . As a result, rGO layers of various concentrations from the reduced graphene oxide suspension (rGO suspension: 152) were spray coated onto CIGS/CdS with a thickness of about 0.34 nm to about 1 nm.

본 연구에서 사용된 스프레이 코팅 방식은, 물질의 거칠기(roughness) 및 기하학적 형태 (geometric morphology) 에 제한을 받지 않으며, 대면적 기판에 형성할 때도 매우 유리한 코팅 방법이다. 스핀 코팅 및 블레이드 코팅 같은 방법은 약90 % 이상의 용액이 버려지기 때문에 본 실시예의 스프레이 코팅은 비용적으로도 매우 유리하다.The spray coating method used in this study is not limited by the roughness and geometric morphology of the material, and is a very advantageous coating method when formed on a large area substrate. The spray coating of this embodiment is also very cost-effective because methods such as spin coating and blade coating discard more than about 90% of the solution.

상기 스프레이 코팅 방식에 의하여 촉매 유지층이 형성됨으로써, 70℃의 낮은 공정 온도에서 비진공 방식으로 30분 내에 종료되기 때문에, 비용 절감 효과를 가지며 공정이 비교적 간단한 특징이 있다. 또한, 상기 촉매 유지층은 2~3 번 만의 스프레이 코팅(spray coating) 으로 형성이 되기 때문에, 수 원자 층(atomic layer) 단위로 형성이 되어 유리 기판과 거의 동일한 투과도를 가지게 되며, 이로 인하여 rGO 에 의한 입사광의 손실은 거의 무시될 수 있는 장점이 있다.Since the catalyst holding layer is formed by the spray coating method, it is finished in 30 minutes in a non-vacuum method at a low process temperature of 70° C., and thus has a cost saving effect and a relatively simple process. In addition, since the catalyst holding layer is formed by spray coating of only 2 to 3 times, it is formed in units of atomic layers and has almost the same permeability as the glass substrate. There is an advantage that the loss of incident light can be almost neglected.

상기 촉매 유지층이 형성되는 단계는, 스프레이 코팅 방식 외에도, 하이드라진 수화물 처리 (hydrazine hydrate treatment), 플라즈마 처리 (plasma exposure), 펄스 광 처리 (pulsed light exposure), urea 를 이용한 열처리 (heat treatment with urea), 퍼니스 열처리 (direct heating in a furnace), 전기화학적 환원법 (electrochemical reduction) 을 포함할 수 있다.In the step of forming the catalyst holding layer, in addition to the spray coating method, hydrazine hydrate treatment, plasma treatment, pulsed light exposure, heat treatment with urea (heat treatment with urea) , Furnace heating (direct heating in a furnace), and electrochemical reduction (electrochemical reduction).

상기 방법 외에도, 상기 촉매 유지층이 형성되는 단계는 spin coating (스핀 코팅), blade coating (블레이드 코팅), inkjet printing (잉크젯 프린팅), dip coating (딥 코팅) 과 같은 용액 기반 코팅 방식을 포함할 수 있다.In addition to the above method, the step of forming the catalyst holding layer may include a solution-based coating method such as spin coating, blade coating, inkjet printing, dip coating. have.

도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, 촉매 유지층을 포함하는 광전극의 대표적인 효과에 관한 모식도이다.4 is a schematic diagram of a representative effect of a photoelectrode including a catalyst holding layer in one embodiment of the present application.

본원에서 제조된 환원된 그래핀 옥사이드(rGO)는, 그래핀산화물(GO)이 화학적으로 환원된 물질로서 광전기화학 (photoelectrochemical; PEC) 적으로 매우 안정한 형태를 유지할 수 있다. 상기 rGO 는 GO 에서 완전히 환원되었기 때문에 광전기화학적 수소 생산 반응 도중 발생할 수 있는 rGO 에서 GO 로 다시 변환이 되는 것과 같은 불필요한 화학적 변화는 일어나지 않는다. 따라서 약7 시간의 반응 후에도 rGO 는 안정적인 형태를 유지하는 동시에 촉매(예를 들어, Pt)를 잡아주어 PEC 반응 동안 발생할 수 있는 촉매의 응집 (segregation), 내부 확산 (in-diffusion), 표면으로부터의 분리 (desorption) 등의 촉매 손실을 효과적으로 방지할 수 있다. 이는 본원의 rGO 가 산화종(oxygenated species), 불포화 결합(dangling bond), 킹크(kink)와 같은 다양한 작용기(functional group)를 보유하고 있기 때문이다. The reduced graphene oxide (rGO) prepared herein is a chemically reduced material of graphene oxide (GO) and can maintain a very stable form in photoelectrochemical (PEC). Since the rGO is completely reduced in GO, unnecessary chemical changes such as the conversion from rGO to GO that may occur during the photoelectrochemical hydrogen production reaction do not occur. Therefore, after about 7 hours of reaction, rGO maintains a stable form and at the same time holds the catalyst (e.g., Pt), and can cause catalyst aggregation during PEC reaction, internal diffusion (in-diffusion), from the surface. Catalyst loss such as desorption can be effectively prevented. This is because rGO of the present application has various functional groups such as oxygenated species, dangling bonds, and kinks.

또한 Pt 촉매의 경우 수 nm 크기 (대략 5 nm 내외)의 나노입자로 형성되기 때문에 버퍼층(CdS) 표면을 완전히 덮지 못하기 때문에, CdS 와 전해질이 계면을 형성하게 되어 (광)부식을 야기할 수 있다. 하지만, 환원된 그래핀옥사이드(rGO) 가 촉매 유지층으로서 형성되는 경우, 전해질과 직접적으로 접촉되는 부분이 없기 때문에 부식을 방지하는 역할도 동시에 수행할 수 있다. rGO 는 높은 전기 전도도를 가지기 때문에 띄엄띄엄 존재하는 Pt 촉매로 광여기된 전자(photoexcited electron)를 효과적으로 분산시켜주어 표면에서의 전자-정공 재결합(electron-hole recombination)을 줄여주어 전하 전달율 (charge transfer rate) 를 향상시킨다. 이로써, 하나의 촉매에 많은 전자가 몰려들어 생길 수 있는 전압 강하 (voltage drop) 를 효과적으로 줄여줄 수 있다. In addition, since the Pt catalyst is formed of nanoparticles having a size of several nm (about 5 nm or so), the surface of the buffer layer (CdS) cannot be completely covered, so that the interface between the CdS and the electrolyte forms (optical) corrosion. have. However, when the reduced graphene oxide (rGO) is formed as a catalyst holding layer, since there is no portion in direct contact with the electrolyte, a role of preventing corrosion can also be performed simultaneously. Since rGO has a high electrical conductivity, it effectively disperses photoexcited electrons with sparse Pt catalyst to reduce electron-hole recombination on the surface, thereby reducing charge transfer rate. ). As a result, it is possible to effectively reduce the voltage drop that may occur due to the concentration of many electrons in one catalyst.

본 실시예에서는 촉매층(160)으로서 Pt촉매가 사용되었으며, 상기 촉매층(160)이 형성되는 단계는 다음과 같다.In this embodiment, a Pt catalyst was used as the catalyst layer 160, and the steps in which the catalyst layer 160 is formed are as follows.

환원된 그래핀옥사이드(rGO)가 형성된 CIGS 광전극을 진공 챔버에 넣고 Pt 촉매를 전자-빔 증발(e-beam evaporation) 시켰다. 약1 A/s 미만의 속도로 천천히 증착하여, Pt 촉매가 나노입자 형태로 증착이 되도록 유도하였다. The CIGS photoelectrode on which the reduced graphene oxide (rGO) was formed was placed in a vacuum chamber and the Pt catalyst was e-beam evaporated. By slowly depositing at a rate of less than about 1 A/s, the Pt catalyst was induced to deposit in the form of nanoparticles.

상기 촉매층을 형성하는 단계는, 진공 증착 방식으로서 스퍼터링(sputter deposition), 펄스 레이져 증착법(pulsed laser deposition), 원자층 증착법(atomic layer deposition), 분자선 에피탁시(molecular beam epitaxy) 또는 비진공 증착 방식으로서 전기도금(electrodeposition), 광전기도금(photodeposition) 등의 방식을 포함할 수 있다.The step of forming the catalyst layer is sputter deposition, pulsed laser deposition, atomic layer deposition, molecular beam epitaxy, or non-vacuum deposition as a vacuum deposition method. As it can include a method such as electroplating (electrodeposition), photodeposition (photodeposition).

<촉매 <catalyst 유지층을Holding layer 포함하는 Containing 광전극의Photoelectrode 특성> Characteristics>

도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, 광전극의 광전기화학적 전류-포텐셜 특성 분석 결과를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing a photoelectrochemical current-potential characteristic analysis result of a photoelectrode in one embodiment of the present application.

비교예로서 CIGS/CdS/Pt 광 캐소드(레퍼런스) 및 실시예로서 CIGS/CdS/rGO/Pt 광 캐소드의 광전기화학적 전류-포텐셜 특성을 나타낸 것으로, rGO의 농도(volume concenstration, mL)에 따른 광전극의 광전기화학적 특성을 알 수 있다. Photoelectrochemical current-potential characteristics of CIGS/CdS/Pt optical cathode (reference) as a comparative example and CIGS/CdS/rGO/Pt optical cathode as an example, and a photoelectrode according to the concentration of rGO (volume concenstration, mL) The photoelectrochemical properties of can be seen.

실험 조건에 대하여, 상기 CIGS 광 캐소드는 빛의 받아 전하를 생성하기 때문에 300 W 세기의 Xe 램프를 광원으로 이용하여 1 태양광(1 sun, AM 1.5G / 100 mW/cm2) 조건하에서 실험이 진행되었다. 측정을 위해서는 "potentiostat" (current-potential source) 을 이용되었으며, 이는 포텐셜을 인가하여 광전류(photocurrent)을 측정하는 방식이다. Regarding the experimental conditions, the CIGS photocathode generates light and receives charge, so the experiment is performed under the condition of 1 sunlight (1 sun, AM 1.5G / 100 mW/cm 2 ) using a 300 W intensity Xe lamp as a light source. It went on. For measurement, a "potentiostat" (current-potential source) was used, which is a method of measuring the photocurrent by applying a potential.

전해질은 0.5 M 인산염 완충용액 (phosphate buffer: 0.5 M Na2SO4, 0.5 M NaH2PO4, 0.5 M Na2HPO4)이 사용되었고, NaOH 과립(granule)을 첨가하여 pH 6.8을 가지도록 제조되었다. 본 실험은 CIGS 광 캐소드(photocathode) 를 이용한 수소 생성이기 때문에 H+ 가 과량으로 녹아있는 전해질이 적합하며 중성에 가까운 pH 6.8을 가지기 때문에 부식의 위험에서 벗어날 수 있다. 물론 H2SO4 혹은 HClO4 같은 강산성 전해질에서도 반응이 가능하지만, 광전기화학적 안정성이 떨어지는 위험이 있을 수 있다. As the electrolyte, a 0.5 M phosphate buffer solution (phosphate buffer: 0.5 M Na 2 SO 4 , 0.5 M NaH 2 PO 4 , 0.5 M Na 2 HPO 4 ) was used, and was prepared to have a pH of 6.8 by adding NaOH granules. Became. Since this experiment is hydrogen production using CIGS photocathode, an electrolyte in which H + is excessively dissolved is suitable, and since it has a pH close to neutral, it can escape from the risk of corrosion. Of course, it is possible to react with a strongly acidic electrolyte such as H 2 SO 4 or HClO 4 , but there may be a risk of poor photoelectrochemical stability.

측정을 위해서는 세 가지 전극이 필요하며(three electrode system), 각각 작동 전극(working electrode, WE), 상대 전극(counter electrode, CE), 레퍼런스 전극(reference electrode, RE) 이다. 본 실시예에서는, 작동 전극으로 CIGS 광 캐소드(photocathode), 상대 전극으로 Pt 코일, 레퍼런스 전극으로 Ag/AgCl (3 M KCl) 가 각각 사용되었다. 레퍼런스 전극을 기준으로 CIGS 광 캐소드에 포텐셜을 인가하면, 광여기된 전자는 CIGS 광 캐소드/전해질 표면으로 이동하여 수소 생성 반응에 참여하며, 해당 포텐셜에 상응하는 정공 전류(hole current)는 상대 전극으로 이동하여 산소 생성 반응에 참여하게 된다. Three electrodes are required for measurement (working electrode (WE), counter electrode (CE), reference electrode (RE)). In this embodiment, CIGS photocathode as a working electrode, Pt coil as a counter electrode, and Ag/AgCl (3 M KCl) as a reference electrode were used, respectively. When a potential is applied to the CIGS photocathode based on the reference electrode, the photoexcited electrons move to the CIGS photocathode/electrolyte surface to participate in the hydrogen production reaction, and the hole current corresponding to the potential is the counter electrode. It moves and participates in the oxygen production reaction.

상기 데이터는 상온에서 측정되었으며, 스캔 범위(scan range)는 -0.2 V vs. reversible hydrogen electrode (RHE) 에서 0.6 VRHE 이다 (reduction to oxidation). 스캔 속도(Scan rate)는 20 mV/sec 이며, 전해질의 교반 (stirring) 없이 반응이 진행되었다. 도 5에서 점선은 암전류 밀도(dark current density)를 나타내며 입사광 없이 LSV 를 측정하는 것으로 측정 범위에서 전류가 0 에 가까운 것을 알 수 있다. 이는 수소 생성 반응 외에 불필요한 전기화학적 반응은 일어나지 않았다는 것을 의미한다.The data were measured at room temperature, and the scan range was -0.2 V vs. The reversible hydrogen electrode (RHE) is 0.6 V RHE (reduction to oxidation). The scan rate was 20 mV/sec, and the reaction proceeded without stirring the electrolyte. In FIG. 5, the dotted line represents dark current density and LSV is measured without incident light, indicating that the current is close to 0 in the measurement range. This means that there were no unnecessary electrochemical reactions other than the hydrogen production reaction.

표 1은, 도 5에 나타낸 비교예 및 실시예들의 전류 밀도 및 개시 전압값을 나타낸 것이다.Table 1 shows the current density and starting voltage values of Comparative Examples and Examples shown in FIG. 5.

[표 1][Table 1]

Figure 112018007618038-pat00001
Figure 112018007618038-pat00001

상기 표 1 및 도 5에서 확인할 수 있듯이, rGO의 농도(rGO-0.125, rGO-0.25, rGO-1.5, 및 rGO-3)를 달리하여 코팅 후 Pt촉매가 형성되었을 때, 0 VRHE 기준으로 비교예보다 전류 밀도 및 개시 전압이 모두 증가한 것을 알 수 있다.As can be seen from Table 1 and Figure 5, when the concentration of rGO (rGO-0.125, rGO-0.25, rGO-1.5, and rGO-3) is different, when Pt catalyst is formed after coating, it is compared based on 0 V RHE It can be seen that both the current density and the starting voltage increased than in the example.

도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 광전극의 광전기화학적 안정성 분석 결과를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the results of photoelectrochemical stability analysis of a photoelectrode in an embodiment of the present application.

도 6a는 CIGS/CdS/Pt 광 캐소드, 도 6b는 CIGS/CdS/rGO-0.25/Pt 광 캐소드의 광전기화학적 안정성을 테스트(stability test) 한 것으로, 1 태양광(1 sun) 조건에서 일정한 포텐셜을 인가하여 광전류밀도의 변화를 측정하였다. LSV 의 측정 조건과 동일한 "potentiostat", 3 전극 시스템(three electrode system), 1 태양광(1 sun), 0.5 M 인산염 완충용액(phosphate buffer)의 조건하에서, 상온에서 교반없이 진행되었다. FIG. 6A shows the photoelectrochemical stability of the CIGS/CdS/Pt optical cathode, and FIG. 6B shows the photoelectrochemical stability of the CIGS/CdS/rGO-0.25/Pt optical cathode. It was applied to measure the change in photocurrent density. Under the conditions of "potentiostat", three electrode system, one sun, and 0.5 M phosphate buffer, which were the same as the measurement conditions of LSV, the mixture proceeded without stirring at room temperature.

1 태양광(1 sun)을 조사할 때는 30 초마다 빛을 on, off 시켜주는 방식으로 측정을 진행하였다(light chopping). 즉, 30 초를 기준으로 광전류(photo current) 와 암전류(dark current)가 번갈아 가며 측정이 되는 것으로 두 전극 모두 7 시간 이상의 크로노암페로메트리(chronoamperometry) 측정 동안 수소 생성 반응 이외의 불필요한 전기화학적 반응은 일어나지 않았다. When irradiating 1 sun, the measurement was performed by turning the light on and off every 30 seconds (light chopping). In other words, photocurrent and dark current are measured alternately on the basis of 30 seconds, and both electrodes are unnecessary electrochemical reactions other than hydrogen generation reaction during chronoamperometry measurement of 7 hours or more. Did not happen.

도 6a에서 광전류가 감소되는 것은 Pt 촉매의 손실로 인한 것으로 분석된다. 이는 도 7의 XPS 측정을 통하여 확인될 수 있다. 인가된 포텐셜은 0 VRHE 이고, 0 VRHE 일 때의 광전류밀도(photo current-density)는 도5의 LSV 에서 0 VRHE 일 때의 전류밀도와 동일하다(도6에서의 점선). 다양한 농도의 rGO 중에서 rGO-0.25 가 사용된 경우, 약 7시간 이상 광전류밀도가 지속되었으며, 가장 안정성 또는 지속가능성이 높은 것으로 확인되었다. It is analyzed in FIG. 6A that the decrease in photocurrent is due to the loss of the Pt catalyst. This can be confirmed through the XPS measurement of FIG. 7. The applied potential was 0 V RHE is, 0 V RHE one photoelectric current density (photo-current density) is (broken line in Fig. 6) and the current density is equal to the time of 0 V RHE at LSV of Figure 5 at the time. When rGO-0.25 was used among various concentrations of rGO, the photocurrent density persisted for more than about 7 hours, and it was confirmed that the stability or sustainability was highest.

도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, 광전극의 Pt촉매 잔류량에 대한 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing an XPS analysis result for the Pt catalyst residual amount of the photoelectrode in one embodiment of the present application.

도 7a는 CIGS/CdS/Pt 광 캐소드, 도 7b는 CIGS/CdS/rGO-0.25/Pt 광 캐소드의 크로노암페로메트리 수소 생성 반응 전 및 반응 후의 Pt 4f 의 강도(intensity)를 비교한 그래프이다.Figure 7a is a CIGS / CdS / Pt optical cathode, Figure 7b is a graph comparing the intensity (intensity) of Pt 4f before and after the chronoamperometry hydrogen production reaction of CIGS/CdS/rGO-0.25/Pt optical cathode. .

XPS 의 경우 1x10-10 Torr 의 고진공에서 측정이 이루어졌으며, monochromatic Al Kα (1486.6 eV) 가 X-선 광원으로 이용되었다. Pt 4f 의 코어 레벨(core level) 측정은 50 meV 의 바인딩 에너지 스텝 크기(binding energy step size: x축) 와 10 스캔(scan)을 통합한 결과이다. "Adventitious Carbon 1s" (284.5 eV) 를 기준으로 피크(peak) 가 계량(calibration)되었다. In the case of XPS, measurement was performed at a high vacuum of 1x10 -10 Torr, and monochromatic Al Kα (1486.6 eV) was used as an X-ray light source. The core level measurement of Pt 4f is the result of integrating 50 meV binding energy step size (x-axis) and 10 scans. The peak was calibrated based on "Adventitious Carbon 1s" (284.5 eV).

비교예인 CdS의 경우 반응 후 강도(intensity)가 줄어든 반면(도 7a), 실시예인 rGO-0.25의 경우 7시간의 반응 동안에도 동일한 강도(intensity)가 유지되는 것을 알 수 있다(도 7b). 이를 통하여, 반응 중에 비교예인 CdS는 촉매(Pt)가 손실되지만, rGO-0.25의 경우에는 촉매층이 촉매 손실 없이 촉매 유지층(rGO) 위에 형성되어 있음을 알 수 있다.In the case of the comparative example CdS, the intensity (intensity) after the reaction was reduced (FIG. 7A), while in the case of the example rGO-0.25, it can be seen that the same intensity (intensity) is maintained during the reaction for 7 hours (FIG. 7B). Through this, it can be seen that the catalyst (Pt) of the comparative example CdS is lost during the reaction, but in the case of rGO-0.25, the catalyst layer is formed on the catalyst holding layer (rGO) without losing the catalyst.

도 8 및 도 9는 각각 본원의 일 실시예에 있어서, 캐소드용 광전극의 금속 촉매로서 Ni-Mo 합금 및 Co 촉매를 사용하였을 때, 캐소드용 광전극의 광전기화학적 안정성 분석 결과를 나타낸 그래프이다.8 and 9 are graphs showing the results of photoelectrochemical stability analysis of the photoelectrode for the cathode when Ni-Mo alloy and Co catalyst are used as metal catalysts for the cathode photoelectrode, respectively, in one embodiment of the present application.

도 8 에서 제조된 캐소드용 광전극은, Ni-Mo 합금 촉매를 사용한 것을 제외하고는 도 6의 광전극 제조방법과 동일한 방법을 사용하였으며, Ni-Mo 합금 촉매는 Ni : Mo = 7 : 3이고, 전자빔(e-beam)으로 1.5 nm의 두께로 증착되었다.The cathode photoelectrode prepared in FIG. 8 used the same method as the photoelectrode production method of FIG. 6, except that a Ni-Mo alloy catalyst was used, and the Ni-Mo alloy catalyst was Ni:Mo = 7:3 , E-beam was deposited to a thickness of 1.5 nm.

도 9에서 제조된 캐소드용 광전극은, Co 촉매를 사용한 것을 제외하고는 도 6의 광전극 제조방법과 동일한 방법을 사용하였으며, Co 촉매는 전자빔(e-beam)으로 1.5 nm의 두께로 증착되었다.The cathode photoelectrode prepared in FIG. 9 was used in the same manner as the photoelectrode production method of FIG. 6, except that the Co catalyst was used, and the Co catalyst was deposited with an electron beam (e-beam) to a thickness of 1.5 nm. .

S : 분사 장치
100 : 광전극
110 : 기재
120 : 전극
130 : 광 활성층
140 : 버퍼층
150 : 촉매 유지층
152 : 환원된 그래핀 옥사이드 현탁액
160 : 촉매층
S: injection device
100: photoelectrode
110: description
120: electrode
130: photoactive layer
140: buffer layer
150: catalyst holding layer
152: reduced graphene oxide suspension
160: catalyst layer

Claims (12)

기재 상에 형성되는 전극;
상기 전극 상에 형성되고 빛을 받아 전자를 생성하는 광 활성층;
상기 광 활성층 상에 상기 광 활성층을 완전히 덮도록 형성되고 상기 전자의 이동성을 향상시키는 촉매 유지층; 및
상기 촉매 유지층 상에 형성되고 금속 촉매를 함유하는 촉매층
을 포함하는, 캐소드용 광전극으로서,
상기 촉매 유지층은 상기 촉매층에 함유된 금속 촉매를 바인딩(bind)하여, 상기 금속 촉매가 상기 촉매층으로부터 분리되는 것을 저감하는 것이고,
상기 촉매 유지층은 환원된 그래핀 옥사이드(rGO)를 포함하는 탄소질 재료를 포함하는 것인, 캐소드용 광전극.
An electrode formed on the substrate;
A photoactive layer formed on the electrode and receiving light to generate electrons;
A catalytic holding layer formed on the photoactive layer to completely cover the photoactive layer and improving the mobility of the electrons; And
A catalyst layer formed on the catalyst holding layer and containing a metal catalyst
A cathode, comprising: a photoelectrode for a cathode,
The catalyst holding layer binds to a metal catalyst contained in the catalyst layer to reduce separation of the metal catalyst from the catalyst layer,
The catalytic holding layer comprises a carbonaceous material containing reduced graphene oxide (rGO), a cathode photoelectrode.
제 1 항에 있어서,
상기 광 활성층과 상기 촉매 유지층 사이 또는 상기 전극과 상기 광 활성층 사이에 버퍼층을 추가 포함하는, 캐소드용 광전극.
According to claim 1,
And a buffer layer between the photoactive layer and the catalyst holding layer or between the electrode and the photoactive layer.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 촉매 유지층의 두께는 0.3 nm 내지 3 nm 인 것인, 캐소드용 광전극.
According to claim 1,
The thickness of the catalyst holding layer is 0.3 nm to 3 nm, the cathode photoelectrode.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매층은 Pt, Co, Rh, Ir, Ru, Re, Au, Ag, Cu, Ni, Mo, Fe, Sn, Bi, Zn, Ga, Pb, Sn, Ti, In, Cd, W, Ta, Nb, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 원소를 포함하는 것인, 캐소드용 광전극.
According to claim 1,
The catalyst layer is Pt, Co, Rh, Ir, Ru, Re, Au, Ag, Cu, Ni, Mo, Fe, Sn, Bi, Zn, Ga, Pb, Sn, Ti, In, Cd, W, Ta, Nb , And an element selected from the group consisting of combinations thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매층은 나노입자(nanoparticle), 박막(thin film), 또는 3차원 나노구조체 (3D nanostructure) 형태인 것인, 캐소드용 광전극.
According to claim 1,
The catalyst layer is in the form of nanoparticles (nanoparticles), thin films, or 3D nanostructures, cathode photoelectrodes.
제 1 항, 제 2 항, 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 캐소드용 광전극;
상기 캐소드용 광전극에 전기적으로 연결된 상대 전극; 및
전해질
을 포함하는, 광전기화학 셀.
The cathode for a cathode according to any one of claims 1, 2, 5 to 7;
A counter electrode electrically connected to the cathode photoelectrode; And
Electrolyte
A photoelectrochemical cell comprising a.
제 8 항에 있어서,
상기 광전기화학 셀은 물을 분해하여 수소를 발생시키는 것인, 광전기화학 셀.
The method of claim 8,
The photoelectrochemical cell is to decompose water to generate hydrogen, a photoelectrochemical cell.
제 8 항에 있어서,
상기 광전기화학 셀은 이산화탄소를 환원시키는 것인, 광전기화학 셀.
The method of claim 8,
The photoelectrochemical cell is to reduce carbon dioxide, a photoelectrochemical cell.
기재 상에 전극을 형성하는 단계;
상기 전극 상에서 빛을 받아 전자를 생성하는 광 활성층을 형성하는 단계;
상기 광 활성층 상에서 상기 전자의 이동성을 향상시키는 촉매 유지층을 상기 광 활성층을 완전히 덮도록 형성하는 단계; 및
상기 촉매 유지층 상에서 금속 촉매를 함유하는 촉매층을 형성하는 단계;
를 포함하는, 캐소드용 광전극의 제조 방법으로서,
상기 촉매 유지층은 상기 촉매층에 함유된 금속 촉매를 바인딩(binding)하여, 상기 금속 촉매가 상기 촉매층으로부터 분리되는 것을 저감하는 것이고,
상기 촉매 유지층은 환원된 그래핀 옥사이드(rGO)를 포함하는 탄소질 재료를 포함하는 것인,
캐소드용 광전극의 제조 방법.
Forming an electrode on the substrate;
Forming a photoactive layer that generates electrons by receiving light on the electrode;
Forming a catalyst holding layer for improving the mobility of the electrons on the photoactive layer to completely cover the photoactive layer; And
Forming a catalyst layer containing a metal catalyst on the catalyst holding layer;
A method of manufacturing a cathode photoelectrode comprising:
The catalyst holding layer binds to a metal catalyst contained in the catalyst layer to reduce separation of the metal catalyst from the catalyst layer,
The catalyst holding layer is to include a carbonaceous material containing reduced graphene oxide (rGO),
Method for manufacturing cathode photoelectrode.
제 11 항에 있어서,
상기 촉매 유지층을 형성하는 단계는 스프레이 코팅 방식을 포함하는 것인, 캐소드용 광전극의 제조 방법.
The method of claim 11,
The step of forming the catalyst holding layer includes a spray coating method, a method for manufacturing a cathode photoelectrode.
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