KR102413904B1 - Hydrogen evolution apparatus - Google Patents

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Abstract

본원은 교류 전원, 상기 교류 전원과 연결된 반도체 전극 및 상대 전극, 상기 반도체 전극이 함침된 전해질, 및 상기 반도체 전극에 빛을 조사하는 광원을 포함하고, 상기 반도체 전극은 기준 전극 및 상기 기준 전극으로부터 수직으로 성장한 n 타입 반도체 및 p 타입 반도체를 포함하고, 상기 반도체 전극은 상기 n 타입 반도체 및 상기 p 타입 반도체가 교대로 배치된 3 차원 이종 접합 구조를 가지는 것인, 수소 발생 장치에 관한 것이다.The present application includes an AC power source, a semiconductor electrode and a counter electrode connected to the AC power source, an electrolyte impregnated with the semiconductor electrode, and a light source irradiating light to the semiconductor electrode, wherein the semiconductor electrode is perpendicular to the reference electrode and the reference electrode It includes an n-type semiconductor and a p-type semiconductor grown as , and the semiconductor electrode has a three-dimensional heterojunction structure in which the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are alternately disposed.

Description

수소 발생 장치 {HYDROGEN EVOLUTION APPARATUS}Hydrogen generator {HYDROGEN EVOLUTION APPARATUS}

본원은 수소 발생 장치에 관한 것이다.The present application relates to a hydrogen generator.

현대에 이르러 산업기술의 발전과 더불어 삶의 수준은 지속적으로 향상되고 있는 반면, 에너지 사용의 급증으로 인해 환경 오염과 자원 고갈의 문제는 갈수록 심각해지는 실정에 있다. 이러한, 환경 오염 및 자원 고갈의 문제를 해결하기 위해 각국에서는 청정연료의 개발에 주력하고 있는데, 특히 수소를 에너지원으로 하는 청정대체 에너지의 개발이 지대한 관심을 모으고 있다. In modern times, along with the development of industrial technology, the standard of living is continuously improving, while the problems of environmental pollution and resource depletion are becoming more and more serious due to the rapid increase in energy use. In order to solve the problems of environmental pollution and resource depletion, countries are focusing on the development of clean fuels. In particular, the development of clean alternative energy using hydrogen as an energy source is attracting great attention.

수소는 고밀도 청정 에너지원으로서, 차세대 대체 에너지원으로 주목받고 있다. 종래의 광전기화학 수소 발생 장치는 직류 전원 및 단일 전도성의 반도체 광흡수층에 백금(Pt)을 촉매로 사용하여 수소를 생산하였으나, 종래의 수소 발생 장치의 광흡수층에 전압을 계속 인가하면 빛에 의해 발생한 광전하가 축적되어 부식 현상이 발생하거나 광전 하생성 효율의 한계로 인해 수소를 지속적으로 생산하기 어렵다. 종래의 수소 발생 장치는 직접 직류전원을 사용하거나 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 과정을 요구하였기 때문에, 수소를 생산하기 위해 교류 전기 또는 교류형 에너지원을 직접적으로 활용하지 못하였다.Hydrogen is attracting attention as a next-generation alternative energy source as a high-density clean energy source. The conventional photoelectrochemical hydrogen generator produces hydrogen using a DC power source and platinum (Pt) as a catalyst in the single conductive semiconductor light absorption layer. However, when a voltage is continuously applied to the light absorption layer of the conventional hydrogen generator, the It is difficult to continuously produce hydrogen due to the accumulation of photocharges, which causes corrosion or limits the photocharge generation efficiency. Since the conventional hydrogen generator requires a process of directly using DC power or converting AC power to DC power, it is not possible to directly utilize AC electricity or AC energy source to produce hydrogen.

구체적으로, 종래의 수소 발생 장치의 전극을 물에 함침시키고, 상기 전극에 특정 파장의 빛 및 일정 수치 전압을 인가하면, 상기 전극의 전자가 물 속의 H+ 이온과 반응하여 수소를 생산할 수 있다. 그러나, 직류 전원을 사용할 경우, 상기 전극에 존재하는 전자의 수가 계속 증가하기 때문에, 상기 전극은 시간의 흐름에 따라 물에 의해 부식되고, 이는 수소 발생 장치의 효율을 떨어뜨리는 요인이 될 수 있다.Specifically, when an electrode of a conventional hydrogen generating device is impregnated in water and light of a specific wavelength and a predetermined numerical voltage are applied to the electrode, electrons of the electrode react with H + ions in water to produce hydrogen. However, when a DC power source is used, since the number of electrons present in the electrode continues to increase, the electrode is corroded by water over time, which may decrease the efficiency of the hydrogen generating device.

본원의 배경이 되는 기술인 한국등록특허공보 제10-1816839호는 신재생 에너지 직접 연계형 수소 발생 장치를 위한 복합 전력회로 및 이의 제어 방법에 관한 것이다. 상기 등록특허의 교류 전원을 직류전원으로 변환한 후 수소를 발생시킬 뿐, 직류 전원으로의 변환 없이 수소를 발생하는 방법에 대해서는 인식하지 못하고 있다. Korea Patent Publication No. 10-1816839, which is the background technology of the present application, relates to a complex power circuit for a renewable energy direct link type hydrogen generator and a control method thereof. The method of generating hydrogen without conversion to DC power, only generating hydrogen after converting AC power to DC power, is not recognized.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 교류 전원을 사용하는 수소 발생 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present application is intended to solve the problems of the prior art described above, and an object of the present application is to provide a hydrogen generator using an AC power source.

또한, 본원은 상기 수소 발생 장치의 반도체 전극의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present application is to provide a method for manufacturing a semiconductor electrode of the hydrogen generating device.

다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical problems to be achieved by the embodiments of the present application are not limited to the technical problems described above, and other technical problems may exist.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 교류 전원, 상기 교류 전원과 연결된 반도체 전극 및 상대 전극, 상기 반도체 전극이 함침된 전해질, 및 상기 반도체 전극에 빛을 조사하는 광원을 포함하고, 상기 반도체 전극은 기준 전극 및 상기 기준 전극으로부터 수직으로 성장하여 배열된 n 타입 반도체 및 p 타입 반도체를 포함하고, 상기 반도체 전극은 상기 n 타입 반도체 및 상기 p 타입 반도체가 교대로 배치된 3 차원 이종 접합 구조를 가지는 것인, 수소 발생 장치를 제공한다.As a technical means for achieving the above technical problem, the first aspect of the present application is an AC power source, a semiconductor electrode and a counter electrode connected to the AC power source, an electrolyte impregnated with the semiconductor electrode, and irradiating light to the semiconductor electrode and a light source, wherein the semiconductor electrode includes a reference electrode and an n-type semiconductor and a p-type semiconductor arranged to grow vertically from the reference electrode, and the semiconductor electrode includes the n-type semiconductor and the p-type semiconductor alternately arranged It provides a hydrogen generating device that has a three-dimensional heterojunction structure.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 n 타입 반도체 및 상기 p 타입 반도체는 각각 독립적으로 Cu-In-Se계, Cu-In-S계, Cu-Sb-Se계, Cu-Sb-S계, Zn-In-Se계, Zn-In-S계, Zn-Sb-Se계, Zn-Sb-S계, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are each independently Cu-In-Se-based, Cu-In-S-based, Cu-Sb-Se-based, Cu-Sb-S-based, Zn It may include a material selected from the group consisting of -In-Se-based, Zn-In-S-based, Zn-Sb-Se-based, Zn-Sb-S-based, and combinations thereof, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 n 타입 반도체는 Cu-In-Se 가 1 : 3 : 5 의 조성비를 가지고, 상기 p 타입 반도체는 Cu-In-Se 가 1 : 1 : 2 의 조성비를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, in the n-type semiconductor, Cu-In-Se has a composition ratio of 1:3:5, and in the p-type semiconductor, Cu-In-Se has a composition ratio of 1: 1:2. However, the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 교류 전원은 상기 기준 전극 상에 -1.0 V 내지 +1.5 V 의 전압을 인가할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the AC power may apply a voltage of -1.0 V to +1.5 V on the reference electrode, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광원으로부터 조사된 빛 및/또는 상기 반도체 전극에 인가된 전압에 의해 상기 전해질 상에서 수소가 발생할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, hydrogen may be generated in the electrolyte by the light irradiated from the light source and/or the voltage applied to the semiconductor electrode, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 교류 전원으로부터 인가된 음의 전압에 의해 상기 p 타입 반도체의 표면에서 수소가 발생하고, 상기 수소는 상기 p 타입 반도체의 표면에 결합된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, hydrogen is generated on the surface of the p-type semiconductor by the negative voltage applied from the AC power source, and the hydrogen may be bonded to the surface of the p-type semiconductor, but is limited thereto. it is not

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 교류 전원으로부터 인가된 양의 전압에 의해 상기 p 타입 반도체의 표면 상에 결합된 상기 수소가 이탈될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the hydrogen bound to the surface of the p-type semiconductor may be released by a positive voltage applied from the AC power source, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 교류 전원의 주파수는 0.01 Hz 내지 30 Hz 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the frequency of the AC power may be 0.01 Hz to 30 Hz, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기준 전극 및 상기 상대 전극은 각각 독립적으로 Mo, Au, Pt, Ti, Ag, Ni, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Fe, Al, Mg, Si, W, Cu, 란탄계 금속, 이들의 질화물, 이들의 산화물, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the reference electrode and the counter electrode are each independently Mo, Au, Pt, Ti, Ag, Ni, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Fe, Al, Mg , Si, W, Cu, lanthanide-based metals, nitrides thereof, oxides thereof, conductive polymers, and combinations thereof may include, but are not limited to.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 교류 전원의 에너지원은 태양전지, 압전소자, 열전소자, 마찰전기, 광전소자, 자성유체(ferrofluid), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the energy source of the AC power source may include one selected from the group consisting of solar cells, piezoelectric elements, thermoelectric elements, triboelectric elements, photoelectric elements, ferrofluids, and combinations thereof. However, the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 조사되는 빛의 파장은 300 nm 내지 900 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the wavelength of the irradiated light may be 300 nm to 900 nm, but is not limited thereto.

또한, 본원의 제 2 측면은 상기 제 1 측면에 따른 수소 발생 장치의 반도체 전극의 제조 방법에 있어서, 상기 기준 전극 상에 제 1 금속을 증착하는 단계, 상기 제 1 금속의 상단부에 제 2 금속을 증착하는 단계, 및 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속을 셀레늄 또는 황 분위기 하에 열처리하여 화합물 반도체를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속의 원자 조성비는 0.3 내지 1.0 인, 반도체 전극의 제조 방법을 제공한다.In addition, the second aspect of the present application, in the method for manufacturing a semiconductor electrode of the hydrogen generating device according to the first aspect, depositing a first metal on the reference electrode, a second metal on the upper end of the first metal Depositing, and heat-treating the first metal and the second metal in a selenium or sulfur atmosphere to prepare a compound semiconductor, wherein the atomic composition ratio of the first metal and the second metal is 0.3 to 1.0, A method of manufacturing a semiconductor electrode is provided.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 금속은 Cu 또는 Zn 를 포함하고, 상기 제 2 금속은 In 또는 Sb 를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the first metal may include Cu or Zn, and the second metal may include In or Sb, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 화합물 반도체는 Cu-In-Se계, Cu-In-S계, Cu-Sb-Se계, Cu-Sb-S계, Zn-In-Se계, Zn-In-S계, Zn-Sb-Se계, Zn-Sb-S계, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the compound semiconductor is Cu-In-Se-based, Cu-In-S-based, Cu-Sb-Se-based, Cu-Sb-S-based, Zn-In-Se-based, Zn-In It may include a material selected from the group consisting of -S-based, Zn-Sb-Se-based, Zn-Sb-S-based, and combinations thereof, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 화합물 반도체는 교대로 배치된 n 타입 반도체 및 p 타입 반도체를 포함하고, 3 차원 이종 접합 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the compound semiconductor may include an n-type semiconductor and a p-type semiconductor alternately disposed and may have a three-dimensional heterojunction structure, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 금속 또는 상기 제 2 금속을 증착하는 단계는 전기 증착(electrodeposition), 화학 기상 증착(chemical vapor deposition), 물리 기상 증착(physical vapor deposition), 원자층 증착(atomic layer deposition), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 공정에 의한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the step of depositing the first metal or the second metal is an electrodeposition, a chemical vapor deposition, a physical vapor deposition (physical vapor deposition), atomic layer deposition ( atomic layer deposition), and may be by a process including one selected from the group consisting of combinations thereof, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열처리하는 온도는 450℃ 내지 650℃ 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the heat treatment temperature may be 450 °C to 650 °C, but is not limited thereto.

상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.The above-described problem solving means are merely exemplary, and should not be construed as limiting the present application. In addition to the exemplary embodiments described above, additional embodiments may exist in the drawings and detailed description.

종래의 수소 발생 장치는 직류 전원을 사용하기 때문에, 교류 전원을 직류 전원으로 변환하기 위한 회로를 추가로 포함하였다. 그러나 전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 수소 발생 장치는 교류 전류를 사용하여 수소를 생산할 수 있기 때문에, 종래의 수소 발생 장치에 비해 간단한 구조를 가질 수 있다.Since the conventional hydrogen generator uses DC power, a circuit for converting AC power to DC power is additionally included. However, according to the above-described problem solving means of the present application, since the hydrogen generator according to the present application can produce hydrogen using an alternating current, it can have a simpler structure than the conventional hydrogen generator.

또한, 본원에 따른 수소 발생 장치에 인가되는 전압은 교류 신호 형태로서, 단시간에 변화하는 에너지 밴드 휨 현상이 발생하여 전하의 재결합 과정의 억제가 가능하고, 상기 수소 발생 장치의 광전류의 손실이 억제될 수 있다.In addition, the voltage applied to the hydrogen generating device according to the present application is in the form of an alternating current signal, and energy band bending that changes in a short time occurs, so that the recombination process of charges can be suppressed, and the loss of photocurrent of the hydrogen generating device can be suppressed. can

종래의 수소 발생 장치에 직류 전압을 지속적으로 인가할 경우. 시간의 흐름에 따라 전극표면에 발생하는 계면 전기 화학 현상, 즉 전기 이중층으로 인한 광전류의 감소가 쉽게 관찰될 수 있다. 따라서, 종래의 수소 발생 장치는 상기 전기 이중층에 의해 수소를 생산하기 위한 광전극의 필요 전압이 이론적 예상값보다 증가하게 되고, 광전극의 부식이 촉진될 수 있다. When DC voltage is continuously applied to the conventional hydrogen generator. A decrease in photocurrent due to an interfacial electrochemical phenomenon occurring on the electrode surface, ie, an electric double layer, with the passage of time can be easily observed. Therefore, in the conventional hydrogen generating device, the voltage required of the photoelectrode for producing hydrogen by the electric double layer increases than the theoretical expected value, and corrosion of the photoelectrode can be promoted.

그러나, 본원에 따른 수소 발생 장치는 교류 전원을 사용하기 때문에 상기 수소 발생 장치의 전극의 표면에서는 상기 전기 이중층 현상이 억제될 수 있으며, 수소 생산에 필요한 전압이 감소될 수 있다.However, since the hydrogen generating device according to the present application uses an AC power source, the electric double layer phenomenon may be suppressed on the surface of the electrode of the hydrogen generating device, and the voltage required for hydrogen production may be reduced.

구체적으로, 상기 수소 발생 장치의 광전극은 n 타입 반도체 및 p 타입 반도체가 교대로 배치되어 있기 때문에, 전하의 재결합이 억제됨과 동시에 전하 수송 효율이 향상될 수 있다. 또한, 에너지 밴드 휨의 방향 변화가 빠르게 발생하여 상기 광전극에 전하가 축적되는 현상이 억제됨으로써, 상기 전기 이중층 현상 및 상기 광전극의 부식 현상이 억제될 수 있다.Specifically, since the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are alternately arranged in the photoelectrode of the hydrogen generating device, recombination of charges is suppressed and charge transport efficiency can be improved. In addition, the electric double layer phenomenon and the corrosion phenomenon of the photoelectrode can be suppressed by suppressing a phenomenon in which charge is accumulated in the photoelectrode by rapidly generating a change in the direction of the energy band bending.

또한, 본원에 따른 수소 발생 장치에 의해 수소를 생산하는 시스템은 신재생 에너지인 태양 에너지의 활용 및 전기이중충 억제 효과로 인해 매우 적은 전기 에너지를 필요로 하기 때문에, 상기 수소 발생 장치의 교류 전원의 에너지원은 태양광 에너지, 열전, 압전, 광전, 자성유체 등 에너지 하베스팅 소자(energy harvesting device)일 수 있어 친환경적인 발전이 가능하다.In addition, since the system for producing hydrogen by the hydrogen generating device according to the present application requires very little electric energy due to the use of solar energy, which is a renewable energy, and the effect of suppressing electric double charge, the AC power of the hydrogen generating device is The energy source may be an energy harvesting device such as solar energy, thermoelectricity, piezoelectricity, photoelectricity, and magnetic fluid, so that eco-friendly power generation is possible.

또한, 종래의 수소 발생 장치는 직류 전원을 사용하였고, 전극으로서 단일전도성 및 단일상을 갖는 물질을 사용하였기 때문에, 광전극 소자로서 사용할 수 있는 물질이 제한되었다. 그러나, 본원에 따른 수소 발생 장치는 다상복합구조의 물질을 사용할 수 있어 광전극 소자로서 사용할 수 있는 물질의 폭이 넓어 다양한 물질을 사용할 수 있다. In addition, since the conventional hydrogen generator uses a DC power supply and uses a material having single conductivity and a single phase as an electrode, materials that can be used as a photoelectrode device are limited. However, since the hydrogen generating device according to the present application can use a material having a multi-phase complex structure, a wide range of materials that can be used as a photoelectrode device can be used, so that various materials can be used.

또한, 본원에 따른 수소 발생 장치에 높은 양의 전압을 인가하면 산소를 생산할 수 있기 때문에, 상기 수소 발생 장치는 연료 전지에 수소 및 산소를 공급하기 위한 장치로서 용도가 확장될 수 있다.In addition, since oxygen can be produced by applying a high amount of voltage to the hydrogen generator according to the present disclosure, the hydrogen generator can be used as a device for supplying hydrogen and oxygen to a fuel cell.

다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.However, the effects obtainable herein are not limited to the above-described effects, and other effects may exist.

도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 수소 발생 장치의 모식도이다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 수소 발생 장치의 메커니즘이다.
도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 반도체 전극의 메커니즘이다.
도 4 는 본원의 일 구현예에 따른 전극 표면에 발생하는 전기이중층의 모식도이다.
도 5 는 본원의 일 구현예에 따른 반도체 전극의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6 은 본원의 일 구현예에 따른 반도체 전극의 제조 방법을 나타낸 모식도이다.
도 7 은 본원의 일 실시예에 따른 반도체 전극의 TEM 이미지 및 SAED(Selected area electron diffraction) 이미지이다.
도 8 은 본원의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 효율을 나타낸 그래프이다.
도 9 는 본원의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 수소 발생 효율 및 교류 전압의 주파수 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 10 은 본원의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 수소 발생 효율 및 빛의 조사 여부 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 11 은 본원의 일 실시예에 수소 발생 장치 상에 인가된 전압 및 수소 발생 효율 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 12 는 본원의 일 실시예에 따른 반도체 전극에 교류 전압 또는 직류 전압을 인가한 시간에 따른 수소 발생을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram of a hydrogen generating device according to an embodiment of the present application.
2 is a mechanism of a hydrogen generating device according to an embodiment of the present application.
3 is a mechanism of a semiconductor electrode according to an embodiment of the present application.
4 is a schematic diagram of an electric double layer generated on the electrode surface according to an embodiment of the present application.
5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a semiconductor electrode according to an exemplary embodiment of the present application.
6 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing a semiconductor electrode according to an exemplary embodiment of the present application.
7 is a TEM image and a selected area electron diffraction (SAED) image of a semiconductor electrode according to an embodiment of the present application.
8 is a graph showing the efficiency of the hydrogen generating device according to an embodiment of the present application.
9 is a graph showing the relationship between the hydrogen generation efficiency of the hydrogen generating device according to an embodiment of the present application and the frequency of the AC voltage.
10 is a graph showing the relationship between the hydrogen generation efficiency of the hydrogen generating device according to an embodiment of the present application and whether light is irradiated.
11 is a graph showing the relationship between the voltage applied on the hydrogen generating device and the hydrogen generating efficiency in an embodiment of the present application.
12 is a graph illustrating hydrogen generation according to time when an AC voltage or a DC voltage is applied to a semiconductor electrode according to an embodiment of the present application.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present application will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art to which the present application pertains can easily carry out.

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.However, the present application may be implemented in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present application in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 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 the case of being "directly connected", but also the case of being "electrically connected" with another element interposed therebetween. do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 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 a member is positioned “on”, “on”, “on”, “on”, “under”, “under”, or “under” another member, this means that a member is positioned on the other member. It includes not only the case where they are in contact, but also the case where another member exists between 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 this specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본 명세서에서 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. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다. As used herein, the terms "about," "substantially," and the like are used in a sense at or close to the numerical value when the manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented, and to aid in the understanding of the present application. It is used to prevent an unconscionable infringer from using the mentioned disclosure in an unreasonable way. Also, throughout this specification, "step to" or "step to" does not mean "step for".

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"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 this specification, the term "combination of these" included in the expression of the Markush form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the components described in the expression of the Markush form, and the components It is meant to include one or more selected from the group consisting of.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A 또는 B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.Throughout this specification, reference to “A and/or B” means “A or B, or A and B”.

본원 명세서 전체에서, "수직으로 성장" 의 기재는 기판 상의 물질이 성장한 방향과 상기 기판 사이의 각도가 정확히 90° 인 경우 뿐만 아니라, 약 70° 내지 약 110° 가 되도록 성장한 것을 포함한다.Throughout this specification, the description of "growth vertically" includes growth such that the angle between the growth direction of the material on the substrate and the substrate is exactly 90°, as well as about 70° to about 110°.

이하에서는 본원의 수소 발생 장치에 대하여, 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the hydrogen generating apparatus of the present application will be described in detail with reference to embodiments, examples, and drawings. However, the present application is not limited to these embodiments and examples and drawings.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 교류 전원(200), 상기 교류 전원(200)과 연결된 반도체 전극(100) 및 상대 전극(300), 상기 반도체 전극(100)이 함침된 전해질(400), 및 상기 반도체 전극(100)에 빛을 조사하는 광원(미도시)을 포함하고, 상기 반도체 전극(100)은 기준 전극(110) 및 상기 기준 전극(110)으로부터 수직으로 성장하여 배열된 p 타입 반도체(111) 및 n 타입 반도체(112)를 포함하고, 상기 반도체 전극(100)은 상기 p 타입 반도체(111) 및 상기 n 타입 반도체(112)가 교대로 배치된 3 차원 이종 접합 구조를 가지는 것인, 수소 발생 장치(10)를 제공한다.As a technical means for achieving the above technical problem, the first aspect of the present application is an AC power source 200 , a semiconductor electrode 100 and a counter electrode 300 connected to the AC power source 200 , and the semiconductor electrode 100 . ) is impregnated with an electrolyte 400 , and a light source (not shown) irradiating light to the semiconductor electrode 100 , wherein the semiconductor electrode 100 is formed from the reference electrode 110 and the reference electrode 110 . It includes a p-type semiconductor 111 and an n-type semiconductor 112 that are vertically grown and arranged, and the semiconductor electrode 100 includes the p-type semiconductor 111 and the n-type semiconductor 112 are alternately disposed. It provides a hydrogen generating device (10), which has a three-dimensional heterojunction structure.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 p 타입 반도체(111) 및 상기 n 타입 반도체(112)가 상기 기준 전극(110)의 표면에서 성장한 각도는 약 70° 내지 약 110° 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 p 타입 반도체(111) 및 상기 n 타입 반도체(112)는 상기 기준 전극(110)의 표면에서 수직하게 성장한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the angle at which the p-type semiconductor 111 and the n-type semiconductor 112 grow on the surface of the reference electrode 110 may be about 70° to about 110°, but is limited thereto. it is not Preferably, the p-type semiconductor 111 and the n-type semiconductor 112 may grow vertically on the surface of the reference electrode 110 , but the present invention is not limited thereto.

도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 수소 발생 장치(10)의 모식도이다.1 is a schematic diagram of a hydrogen generating device 10 according to an embodiment of the present application.

현대사회는 석유, 석탄 등의 화석 연료를 가공하여 얻은 다양한 연료에 의해 유지되고 있다. 그러나 상기 화석 연료는 연소시 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 등 다양한 유기물을 방출하고, 상기 유기물은 유독할 뿐만 아니라 지구 온난화를 초래하는 단점이 있다. 이에 따라 태양광 발전 등 다양한 신재생 에너지가 각광을 받고 있으며, 신재생 에너지 중 수소는 원료인 물의 고갈 염려가 없어 많은 주목을 받고 있다.Modern society is supported by various fuels obtained by processing fossil fuels such as petroleum and coal. However, the fossil fuels emit various organic substances such as carbon monoxide, carbon dioxide, and methane during combustion, and the organic substances are not only toxic, but also cause global warming. Accordingly, various new and renewable energies such as solar power generation are in the spotlight, and among the new renewable energy, hydrogen is receiving a lot of attention because there is no concern about the depletion of water, a raw material.

그러나 물로부터 수소를 생산하기 위해서는 많은 에너지가 필요한 단점이 존재한다. 특히, 종래의 수소 발생 장치는 직류 전원을 사용하고 단일 전도성 및 단일상을 갖는 광전극을 사용하였기 때문에, 낮은 지속성 및 내부식성, 변환과정에서 발생하는 에너지 손실 등 다양한 문제가 존재하였다.However, there is a disadvantage that a lot of energy is required to produce hydrogen from water. In particular, since the conventional hydrogen generator uses a direct current power source and uses a photoelectrode having a single conductivity and a single phase, various problems such as low continuity and corrosion resistance, and energy loss occurring in the conversion process exist.

본원에서는 상기 교류 전원(200) 및 다상의 물질을 갖는 상기 반도체 전극(100)을 포함하는 수소 발생 장치(10)를 제공함으로써 상기 문제를 해결할 수 있고, 상기 반도체 전극(100)에서 발생하는 전자 및 정공의 재결합에 의한 문제를 해결할 수 있다.In the present application, the above problem can be solved by providing a hydrogen generating device 10 including the AC power source 200 and the semiconductor electrode 100 having a polyphase material, and electrons generated from the semiconductor electrode 100 and The problem caused by the recombination of holes can be solved.

도 1 을 참조하면, 상기 반도체 전극(100) 및 상기 상대 전극(300)은 상기 전해질(400) 내에 함침되거나 또는 상기 전해질(400)과 접촉한 상태로서 존재할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체 전극(100) 및 상기 상대 전극(300)이 상기 전해질(400)내에 함침되어 있을 경우, 상기 교류 전원(200)은 상기 전해질(400)의 외부에 존재할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Referring to FIG. 1 , the semiconductor electrode 100 and the counter electrode 300 may be impregnated in the electrolyte 400 or may exist in a state in contact with the electrolyte 400 , but is not limited thereto. When the semiconductor electrode 100 and the counter electrode 300 are impregnated in the electrolyte 400 , the AC power source 200 may exist outside the electrolyte 400 , but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체 전극(100)은 상기 p 타입 반도체(111) 및 상기 n 타입 반도체(112)가 교대로 배치된 3 차원 이종 접합 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이와 관련하여, 상기 p 타입 반도체(111) 및 상기 n 타입 반도체(112)는 상기 기준 전극(110) 상에 수직하게 성장함으로써, 상기 반도체 전극(100)의 절단면은 상기 p 타입 반도체(111) 및 상기 n 타입 반도체(112)가 교대로 배치된 수평병렬구조를 가질 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the semiconductor electrode 100 may have a three-dimensional heterojunction structure in which the p-type semiconductor 111 and the n-type semiconductor 112 are alternately disposed, but is not limited thereto. . In this regard, since the p-type semiconductor 111 and the n-type semiconductor 112 are grown vertically on the reference electrode 110 , the cut surface of the semiconductor electrode 100 is the p-type semiconductor 111 and The n-type semiconductors 112 may have a horizontally parallel structure in which they are alternately arranged.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체 전극(100)은 상기 n 타입 반도체(112)의 나노 입자를 포함하는 상기 p 타입 반도체(111)의 매트릭스, 또는 상기 p 타입 반도체(111)의 나노 입자를 포함하는 상기 n 타입 반도체(112)의 매트릭스를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the semiconductor electrode 100 includes the matrix of the p-type semiconductor 111 including the nanoparticles of the n-type semiconductor 112 , or the nanoparticles of the p-type semiconductor 111 . It may include a matrix of the n-type semiconductor 112 that includes, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 p 타입 반도체(111) 및 상기 n 타입 반도체(112)는 각각 독립적으로 Cu-In-Se계, Cu-In-S계, Cu-Sb-Se계, Cu-Sb-S계, Zn-In-Se계, Zn-In-S계, Zn-Sb-Se계, Zn-Sb-S계, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 p 타입 반도체(111) 및 상기 n 타입 반도체(112)는 서로 조성이 상이한 Cu-In-Se계 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the p-type semiconductor 111 and the n-type semiconductor 112 are each independently Cu-In-Se-based, Cu-In-S-based, Cu-Sb-Se-based, Cu- It may include a material selected from the group consisting of Sb-S-based, Zn-In-Se-based, Zn-In-S-based, Zn-Sb-Se-based, Zn-Sb-S-based, and combinations thereof, However, the present invention is not limited thereto. Preferably, the p-type semiconductor 111 and the n-type semiconductor 112 may include Cu-In-Se-based materials having different compositions, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 n 타입 반도체(112)는 Cu-In-Se 가 1 : 3 : 5 의 조성비를 가지고, 상기 p 타입 반도체(111)는 Cu-In-Se 가 1 : 1 : 2 의 조성비를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, in the n-type semiconductor 112, Cu-In-Se has a composition ratio of 1:3:5, and in the p-type semiconductor 111, Cu-In-Se is 1:1: It may have a composition ratio of 2, but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 n 형 반도체(112)가 Cu-In-Se 계인 경우, 구리, 인듐, 및 셀레늄의 원자 조성비가 1 : 3 : 5 일 수 있다. 또한 예를 들어, 상기 n 형 반도체(112)가 Zn-In-Se 계인 경우의 조성비는 1 : 2 : 4 이고, Zn-In-S 계인 경우의 조성비는 1 : 2 : 4 이고, Cu-In-S 계인 경우의 조성비는 1 : 1 : 2 이다.For example, when the n-type semiconductor 112 is Cu-In-Se-based, an atomic composition ratio of copper, indium, and selenium may be 1:3:5. Also, for example, when the n-type semiconductor 112 is Zn-In-Se-based, the composition ratio is 1:2:4, and in the case of Zn-In-S-based, the composition ratio is 1:2:4, and Cu-In In the case of -S system, the composition ratio is 1:1:2.

예를 들어, 상기 p 형 반도체(111)가 Cu-In-Se 계인 경우, 원자의 조성비가 1 : 1 : 2일 수 있다. 또한 예를 들어, 상기 p 형 반도체(111)가 Zn-In-Se 계인 경우의 조성비는, 1 : 1 : 2 이고, Zn-In-S 계인 경우의 조성비는, 1 : 2 : 4 이고, Cu-In-S 계인 경우의 조성비는 1 : 1 : 2 이고, Cu-Sb-Se 계인 경우의 조성비는, 1 : 1 : 2 이며, Cu-Sb-S 계인 경우의 조성비는, 1 : 1 : 2 일 수 있다. For example, when the p-type semiconductor 111 is Cu-In-Se-based, the composition ratio of atoms may be 1:1:2. Also, for example, when the p-type semiconductor 111 is Zn-In-Se-based, the composition ratio is 1:1:2, and when the p-type semiconductor 111 is Zn-In-S-based, the composition ratio is 1:2:4, and Cu The composition ratio in the case of -In-S system is 1:1:2, the composition ratio in case of Cu-Sb-Se system is 1:1:2, and the composition ratio in case of Cu-Sb-S system is 1: 1:2 can be

상기 Cu-In-Se 계 물질은 CIS 물질로 호칭된다. 상기 CIS 물질은 박막 태양 전지의 광흡수층로서 사용될 수 있으며, 상기 수소 발생 장치(10)에서는 물을 분해하기 위한 물질로서 사용되었다. The Cu-In-Se-based material is referred to as a CIS material. The CIS material may be used as a light absorption layer of a thin film solar cell, and was used as a material for decomposing water in the hydrogen generating device 10 .

후술하겠지만, 상기 p 타입 반도체(111) 및 상기 n 타입 반도체(112)가 교대로 배치된 반도체는 화합물 반도체(111, 112)라고도 칭해질 수 있다. As will be described later, the semiconductor in which the p-type semiconductor 111 and the n-type semiconductor 112 are alternately disposed may also be referred to as compound semiconductors 111 and 112 .

종래의 p-n 접합이 적층 형태로 구성된 반도체와 달리, 본원의 반도체 전극(100)은 상기 p 타입 반도체(111) 및 상기 n 타입 반도체(112)가 교대로 배치되어 수평 병렬 구조를 가질 수 있다. 상기 수평 병렬 구조에 의해 상기 p 타입 반도체(111) 및 상기 n 타입 반도체(112)는 상기 교류 전원(200)으로부터 인가된 전압의 영향을 항시 받음으로써 수소 또는 산소를 발생시킬 수 있으며, 상기 수소 또는 상기 산소의 발생 과정에 의해 상기 반도체 전극(100)에서 유의미한 광전류가 발생하는 것을 확인할 수 있다.Unlike the conventional semiconductor in which the p-n junction is stacked, the semiconductor electrode 100 of the present disclosure may have a horizontally parallel structure in which the p-type semiconductor 111 and the n-type semiconductor 112 are alternately disposed. Due to the horizontal parallel structure, the p-type semiconductor 111 and the n-type semiconductor 112 are always affected by the voltage applied from the AC power source 200 to generate hydrogen or oxygen, and the hydrogen or It can be seen that a significant photocurrent is generated in the semiconductor electrode 100 by the oxygen generation process.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 교류 전원(200)은 상기 기준 전극(110) 상에 -1.0 V 내지 +1.5 V 의 전압을 인가할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. According to the exemplary embodiment of the present application, the AC power source 200 may apply a voltage of -1.0 V to +1.5 V on the reference electrode 110 , but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 교류 전원(200)이 상기 기준 전극(110) 상에 인가하는 전압은, 약 -1.00 V 내지 약 +1.50 V, 약 -0.75 V 내지 약 +1.50 V, 약 -0.50 V 내지 약 +1.50 V, 약 -0.25 V 내지 약 +1.50 V, 약 +0.00 V 내지 약 +1.50 V, 약 +0.25 V 내지 약 +1.50 V, 약 +0.50 V 내지 약 +1.50 V, 약 +0.75 V 내지 약 +1.50 V, 약 +1.25 V 내지 약 +1.50 V, 약 -1.00 V 내지 약 +1.25 V, 약 -1.00 V 내지 약 +1.00 V, 약 -1.00 V 내지 약 +0.75 V, 약 -1.00 V 내지 약 +0.50 V, 약 -1.00 V 내지 약 +0.25 V, 약 -1.00 V 내지 약 0.00 V, 약 -1.00 V 내지 약 -0.25 V, 약 -1.00 V 내지 약 -0.50 V, 약 -1.00 V 내지 약 -0.75 V, 약 -0.75 V 내지 약 +1.25 V, 약 -0.50 V 내지 약 +1.00 V, 약 -0.25 V 내지 약 +0.75 V, 약 0.00 V 내지 약 +0.50 V, 또는 약 +0.25 V 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the voltage applied by the AC power source 200 on the reference electrode 110 is about -1.00 V to about +1.50 V, about -0.75 V to about +1.50 V, and about -0.50 V to about +1.50 V, about -0.25 V to about +1.50 V, about +0.00 V to about +1.50 V, about +0.25 V to about +1.50 V, about +0.50 V to about +1.50 V, about +0.75 V to about +1.50 V, about +1.25 V to about +1.50 V, about -1.00 V to about +1.25 V, about -1.00 V to about +1.00 V, about -1.00 V to about +0.75 V, about -1.00 V to about +0.50 V, about -1.00 V to about +0.25 V, about -1.00 V to about 0.00 V, about -1.00 V to about -0.25 V, about -1.00 V to about -0.50 V, about -1.00 V to about - 0.75 V, about -0.75 V to about +1.25 V, about -0.50 V to about +1.00 V, about -0.25 V to about +0.75 V, about 0.00 V to about +0.50 V, or about +0.25 V it is not

이론적으로 물을 수소 및 산소로 분해하기 위해 필요한 최소한의 에너지는 약 1.23 V 이다. 그러나 전극 표면에 발생하는 전기이중층에 의해 필요 에너지가 증가하므로, 물을 수소 및 산소로 분해하기 위해서는 약 1.45 V 의 에너지가 필요하게 된다. 상기 전극 표면에 빛을 조사할 경우, 광전극층에서 발생하는 광전압에 의해 물을 분해하기 위한 최소 전압의 이론값은 1.23 V 보다 작아질 수 있으며, 필요한 전압이 감소함으로써 전기이중층에 의한 문제가 해소될 수 있다.Theoretically, the minimum energy required to decompose water into hydrogen and oxygen is about 1.23 V. However, since the required energy increases due to the electric double layer generated on the electrode surface, energy of about 1.45 V is required to decompose water into hydrogen and oxygen. When light is irradiated to the surface of the electrode, the theoretical value of the minimum voltage for decomposing water by the photovoltage generated in the photoelectrode layer may be less than 1.23 V, and the problem caused by the electric double layer is solved by reducing the required voltage. can be

본원에 따른 수소 발생 장치(10)은 상기 교류 전원(200)을 포함하기 때문에, 상기 전기이중층에 의한 문제가 추가적으로 해소될 수 있으며, 이에 따라 수소 발생 과정 중 발생하는 에너지 손실 문제를 최소화할 수 있다.Since the hydrogen generating device 10 according to the present application includes the AC power source 200, the problem caused by the electric double layer can be further solved, and thus the problem of energy loss occurring during the hydrogen generating process can be minimized. .

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 교류 전원(200)의 주파수는 0.01 Hz 내지 30 Hz 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the frequency of the AC power source 200 may be 0.01 Hz to 30 Hz, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광원으로부터 조사된 빛 및/또는 상기 반도체 전극(100)에 인가된 전압에 의해 상기 전해질(400) 상에서 수소가 발생할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, hydrogen may be generated in the electrolyte 400 by the light irradiated from the light source and/or the voltage applied to the semiconductor electrode 100 , but is not limited thereto.

본원에 따른 전해질은 전기 에너지, 또는 빛 에너지를 받아 수소를 생산하기 위한 것으로서, H+ 이온 및 OH- 이온을 동시에 포함할 수 있는 물질, 예를 들어 물을 포함할 수 있다.The electrolyte according to the present disclosure is for producing hydrogen by receiving electrical energy or light energy, and may include a material that can contain H + ions and OH ions at the same time, for example, water.

구체적으로, 상기 반도체 전극(100)에 전압이 인가되면, 상기 p 타입 반도체(111) 또는 상기 n 타입 반도체(112) 의 에너지 밴드의 휨이 발생한다. 이 때, 상기 반도체 전극(100)에 빛을 조사하면, 상기 p 타입 반도체(111)의 전자 또는 상기 n 타입 반도체(112)의 정공이 상기 빛에 의해 여기되어 에너지를 가질 수 있다. 상기 에너지를 받은 전하는 상기 전해질(400), 예를 들어 물에 분포된 H+ 이온 또는 OH- 이온과 반응하여 수소 또는 산소를 생성할 수 있다. Specifically, when a voltage is applied to the semiconductor electrode 100 , the energy band of the p-type semiconductor 111 or the n-type semiconductor 112 is bent. In this case, when light is irradiated to the semiconductor electrode 100 , electrons of the p-type semiconductor 111 or holes of the n-type semiconductor 112 may be excited by the light to have energy. The energized charges may react with H + ions or OH ions distributed in the electrolyte 400 , for example, water to generate hydrogen or oxygen.

후술하겠지만, 상기 광전자 및 상기 정공은 상기 p 타입 반도체(111) 및 상기 n 타입 반도체(112) 내에서는 교류 전압으로 인한 에너지 밴드 휨 방향이 주기적으로 변화되어 전하 축적으로 인한 재결합이 억제될 수 있다.As will be described later, in the p-type semiconductor 111 and the n-type semiconductor 112 , the energy band bending direction due to an AC voltage is periodically changed in the photoelectrons and the holes, so that recombination due to charge accumulation can be suppressed.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 교류 전원(200)으로부터 인가된 음의 전압에 의해 상기 p 타입 반도체(111)의 표면에서 수소가 발생하고, 상기 수소는 상기 p 타입 반도체(111)의 표면에 결합된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, hydrogen is generated on the surface of the p-type semiconductor 111 by the negative voltage applied from the AC power source 200 , and the hydrogen is applied to the surface of the p-type semiconductor 111 . It may be combined, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 교류 전원(200)으로부터 인가된 양의 전압에 의해 상기 p 타입 반도체(111)의 표면 상에 결합된 상기 수소가 이탈될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the hydrogen bound to the surface of the p-type semiconductor 111 may be released by the positive voltage applied from the AC power source 200 , but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 수소 발생 장치(10)는 수소 및 산소를 동시에 생산할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the hydrogen generator 10 may simultaneously produce hydrogen and oxygen, but is not limited thereto.

후술하겠지만, 상기 교류 전원(200)으로부터 인가되는 양의 전압이 높아질 경우, 상기 수소 발생 장치(10)는 산소도 같이 생산할 수 있다. 상기 수소 발생 장치(10)의 산소 생산 과정은 상기 교류 전원(200)으로부터 인가된 양의 전압에 의해 상기 n 타입 반도체(112)의 표면에서 산소가 발생하는 과정 및 상기 교류 전원(200)으로부터 인가된 음의 전압에 의해 상기 n 타입 반도체(112)의 표면 상에 결합된 상기 산소가 이탈하는 과정을 포함할 수 있다.As will be described later, when the positive voltage applied from the AC power source 200 increases, the hydrogen generator 10 may also produce oxygen. The oxygen production process of the hydrogen generator 10 is a process of generating oxygen on the surface of the n-type semiconductor 112 by a positive voltage applied from the AC power source 200 and applying from the AC power source 200 . It may include a process in which the oxygen bound to the surface of the n-type semiconductor 112 is released by the applied negative voltage.

이와 관련하여, 상기 p 타입 반도체(111)의 표면에서 발생한 수소 및 상기 n 타입 반도체(112)의 표면에서 발생한 산소는 전압의 방향이 변경되지 않는 이상 상기 p 타입 반도체(111) 또는 상기 n 타입 반도체(112)의 표면에 결합되어 존재할 수 있다.In relation to this, hydrogen generated on the surface of the p-type semiconductor 111 and oxygen generated on the surface of the n-type semiconductor 112 are generated in the p-type semiconductor 111 or the n-type semiconductor as long as the direction of the voltage is not changed. It may be present in combination with the surface of (112).

도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 수소 발생 장치(10)의 메커니즘이고, 도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 반도체 전극(100)의 메커니즘이고, 도 4 는 본원의 일 구현예에 따른 반도체 전극(100)의 표면에 발생하는 전기이중층의 모식도이다.2 is a mechanism of a hydrogen generating device 10 according to an embodiment of the present application, FIG. 3 is a mechanism of a semiconductor electrode 100 according to an embodiment of the present application, and FIG. 4 is a semiconductor according to an embodiment of the present application. It is a schematic diagram of an electric double layer generated on the surface of the electrode 100 .

이와 관련하여, 도 4 는 상기 수소 발생 장치(10)의 상기 반도체 전극(100)의 상기 기준 전극(110)만을 개시하고 있으나, 상기 교류 전원(200), 상기 상대 전극(300), 상기 n 타입 반도체(112) 및 상기 p 타입 반도체(111) 역시 존재한다.In this regard, although FIG. 4 discloses only the reference electrode 110 of the semiconductor electrode 100 of the hydrogen generator 10, the AC power source 200, the counter electrode 300, and the n-type The semiconductor 112 and the p-type semiconductor 111 are also present.

도 2 내지 도 4 를 참조하면, 상기 반도체 전극(100)에 빛을 조사하며 음의 전압을 인가하면, 상기 p 타입 반도체(111) 상에는 빛에 의해 여기된 광전자가 존재하게 된다. 상기 반도체 전극(100)의 상기 p 타입 반도체(111)가 함침되어 접촉한 상기 전해질(400)에 존재하는 H+ 이온은 상기 p 타입 반도체(111) 상에 존재하는 상기 광전자에 의해 환원되어 수소가 될 수 있으며, 상기 수소는 상기 p 타입 반도체(111) 상에 결합되어 존재할 수 있다.2 to 4 , when a negative voltage is applied while irradiating light to the semiconductor electrode 100 , photoelectrons excited by light exist on the p-type semiconductor 111 . H + ions present in the electrolyte 400 impregnated and contacted with the p-type semiconductor 111 of the semiconductor electrode 100 are reduced by the photoelectrons present on the p-type semiconductor 111 to generate hydrogen. may be, and the hydrogen may be present by being bonded to the p-type semiconductor 111 .

상기 p 타입 반도체(111) 상에 결합된 수소는 상기 반도체 전극(100)에 인가된 양의 전압에 의해 상기 p 타입 반도체(111)의 표면으로부터 이탈할 수 있다.Hydrogen bound on the p-type semiconductor 111 may be released from the surface of the p-type semiconductor 111 by a positive voltage applied to the semiconductor electrode 100 .

또한, 상기 반도체 전극(100)에 양의 전압을 인가할 경우, 상기 n 타입 반도체(112)는 빛에 의해 여기된 정공이 존재하게 되고, 상기 전해질(400) 상에 존재하는 OH- 이온은 상기 n 타입 반도체(112)에 의해 산화되어 O2 및 H+ 이온을 형성할 수 있다.In addition, when a positive voltage is applied to the semiconductor electrode 100 , holes excited by light exist in the n-type semiconductor 112 , and OH ions present on the electrolyte 400 are It may be oxidized by the n-type semiconductor 112 to form O 2 and H + ions.

상기 n 타입 반도체(112)에 의해 존재하는 산소는 상기 반도체 전극(100)에 인가된 음의 전압에 의해 상기 n 타입 반도체(112)로부터 이탈할 수 있다.Oxygen present in the n-type semiconductor 112 may be released from the n-type semiconductor 112 by a negative voltage applied to the semiconductor electrode 100 .

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체 전극(100)에서는 전자 및 정공의 재결합 과정이 발생하지 않을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the recombination process of electrons and holes may not occur in the semiconductor electrode 100 , but is not limited thereto.

도 2 를 참조하면, 상기 반도체 전극(100)에 일정 강도 이상의 빛을 조사할 경우, 상기 p 타입 반도체(111) 또는 상기 n 타입 반도체(112) 상에서 결핍 영역(depletion area)가 형성된다. 이와 관련하여, 상기 결핍 영역은 상기 반도체 전극(100) 상에서 다수 전하(majority carrier)인 정공(h+) 또는 전자(e-)가 존재하지 않는 영역을 의미한다.Referring to FIG. 2 , when light of a certain intensity or higher is irradiated to the semiconductor electrode 100 , a depletion area is formed on the p-type semiconductor 111 or the n-type semiconductor 112 . In this regard, the depletion region refers to a region in which holes (h + ) or electrons (e ), which are majority carriers, do not exist on the semiconductor electrode 100 .

상기 p 타입 반도체(111) 또는 상기 n 타입 반도체(112) 상의 상기 결핍 영역이 상기 n 타입 반도체(112) 또는 상기 p 타입 반도체(111)와 인접할 경우, 광전효과에 의해 상기 n 타입 반도체(112) 또는 상기 p 타입 반도체(111)에서 발생한 전자는 상기 결핍 영역으로 이동함으로써, 상기 p 타입 반도체(111) 및 상기 n 타입 반도체(112) 상에서 전자 및 정공이 결합하는 비율이 감소할 수 있다.When the depletion region on the p-type semiconductor 111 or the n-type semiconductor 112 is adjacent to the n-type semiconductor 112 or the p-type semiconductor 111, a photoelectric effect causes the n-type semiconductor 112 to ) or electrons generated in the p-type semiconductor 111 move to the depletion region, so that a ratio of electrons and holes in the p-type semiconductor 111 and the n-type semiconductor 112 to be combined may decrease.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 교류 전원(200)의 에너지원은 태양전지, 압전소자, 열전소자, 마찰전기, 광전소자, 자성유체(ferrofluid), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the energy source of the AC power source 200 is selected from the group consisting of solar cells, piezoelectric elements, thermoelectric elements, triboelectrics, photoelectric elements, ferrofluids, and combinations thereof. It may include, but is not limited to.

상술하였듯이, 본원에 따른 수소 발생 장치(10)가 수소를 생산하기 위해 필요한 전압차는 약 1.23 V 미만으로 낮기 때문에, 에너지 하베스팅 방법에 의해 수득한 전기 에너지로서도 충분하다.As described above, since the voltage difference required for the hydrogen generating device 10 according to the present invention to produce hydrogen is as low as less than about 1.23 V, electrical energy obtained by the energy harvesting method is sufficient.

본원에 따른 에너지 하베스팅은 진동이나 소리 에너지 등 현대 사회에서 에너지 변환 과정에서 발생한 잉여 에너지를 모아 전기를 생산하는 기술을 의미한다. 상기 에너지 하베스팅은 압력 또는 진동을 전기 에너지로 변환하는 압전소자, 체온 등의 열을 전기 에너지로 변환하는 열전소자, 정전기 등의 잉여 전기를 축적하는 마찰전기, 빛을 전기 에너지로 변환하는 광전소자, 및 유체와 자성 입자를 혼합한 후, 진동시킴으로써 발생하는 자기장의 변화를 통해 전기 에너지를 수득하는 자성유체 등을 사용하여 에너지를 생산할 수 있다.Energy harvesting according to the present application refers to a technology for generating electricity by collecting surplus energy generated in the energy conversion process in modern society, such as vibration or sound energy. The energy harvesting includes a piezoelectric element that converts pressure or vibration into electrical energy, a thermoelectric element that converts heat such as body temperature into electrical energy, triboelectric that accumulates surplus electricity such as static electricity, and a photoelectric element that converts light into electrical energy , and a magnetic fluid that obtains electrical energy through a change in a magnetic field generated by vibrating after mixing a fluid and magnetic particles, etc. can be used to produce energy.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 교류 전원(200)의 에너지원은 일반적인 발전소에서 송전된 전기 에너지를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the energy source of the AC power source 200 may include electric energy transmitted from a general power plant, but is not limited thereto.

종래의 수소 발생 장치는 직류 전원을 통해 수소를 생산하였기 때문에, 시간의 흐름에 따라 전극에 축적된 전하에 의해 상기 전극의 부식, 광전류 밀도의 감소 등 다양한 문제가 발생하였다. 그러나 본원에 따른 수소 발생 장치(10)는 상기 교류 전원(200)을 사용하기 때문에, 상기 반도체 전극(100) 상에 전하가 축적되지 않으며, 상기 직류 전원에 의한 부식 또는 광전류 밀도의 감소 등의 문제가 해결될 수 있는 장점이 존재한다.Since the conventional hydrogen generator produces hydrogen through a DC power source, various problems such as corrosion of the electrode and reduction of photocurrent density occur due to electric charges accumulated in the electrode over time. However, since the hydrogen generating device 10 according to the present application uses the AC power source 200, no charge is accumulated on the semiconductor electrode 100, and there are problems such as corrosion or reduction in photocurrent density due to the DC power source. There are advantages that can be addressed.

또한, 종래의 수소 발생 장치의 상기 직류 전원의 에너지원은 발전소 등에서 공급받은 교류 전원이기 때문에, 교류 전원을 직류 전원으로 변환하기 위한 회로가 필요하나, 본원에 따른 수소 발생 장치(10)는 교류 전류를 직접적으로 사용할 수 있어 종래의 수소 발생 장치에 비해 간단한 구조를 가질 수 있다.In addition, since the energy source of the DC power of the conventional hydrogen generator is AC power supplied from a power plant, etc., a circuit for converting AC power to DC power is required, but the hydrogen generator 10 according to the present application is an AC current can be used directly, so it can have a simpler structure than a conventional hydrogen generator.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기준 전극(110) 및 상기 상대 전극(300)은 각각 독립적으로 Mo, Au, Pt, Ti, Ag, Ni, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Fe, Al, Mg, Si, W, Cu, 란탄계 금속, 이들의 질화물, 이들의 산화물, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the reference electrode 110 and the counter electrode 300 are each independently Mo, Au, Pt, Ti, Ag, Ni, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn , Fe, Al, Mg, Si, W, Cu, lanthanide metals, nitrides thereof, oxides thereof, conductive polymers, and combinations thereof may include, but are not limited to.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 조사되는 빛의 파장은 300 nm 내지 900 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the wavelength of the irradiated light may be 300 nm to 900 nm, but is not limited thereto.

상기 반도체 전극(100) 상에 조사되는 빛은 상기 p 타입 반도체(111) 또는 상기 n 타입 반도체(112) 상의 전자에 에너지를 공급하여 여기시킴으로써 물을 분해하기 위한 전하를 형성하기 위한 것이다.The light irradiated onto the semiconductor electrode 100 supplies energy to electrons on the p-type semiconductor 111 or the n-type semiconductor 112 to excite them, thereby forming electric charges for decomposing water.

본원의 제 2 측면은 상기 제 1 측면에 따른 수소 발생 장치(10)의 반도체 전극(100)의 제조 방법에 있어서, 상기 기준 전극(110) 상에 제 1 금속을 증착하는 단계, 상기 제 1 금속의 상단부에 제 2 금속을 증착하는 단계, 및 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속을 셀레늄 또는 황 분위기 하에 열처리하여 화합물 반도체(111, 112)를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속의 원자 조성비는 0.3 내지 1.0 인, 반도체 전극(100)의 제조 방법을 제공한다.A second aspect of the present application is the method for manufacturing the semiconductor electrode 100 of the hydrogen generating device 10 according to the first aspect, the method comprising depositing a first metal on the reference electrode 110, the first metal depositing a second metal on the upper end of The atomic composition ratio of the second metal is 0.3 to 1.0, and provides a method of manufacturing the semiconductor electrode 100 .

본원의 제 2 측면에 따른 반도체 전극(100)의 제조 방법에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다With respect to the method of manufacturing the semiconductor electrode 100 according to the second aspect of the present application, detailed descriptions of parts overlapping with the first aspect of the present application are omitted, but even if the description is omitted, the contents described in the first aspect of the present application are The same can be applied to the second aspect of the present application

본원의 제 1 측면에 따른 상기 수소 발생 장치(10)에서 수소가 생성되는 부분은 상기 반도체 전극(100), 구체적으로 상기 반도체 전극(100)의 상기 p 타입 반도체(111)이며, 상술하였지만 상기 반도체 전극(100)에 인가되는 전압을 변경함으로써 상기 반도체 전극(100)의 상기 n 타입 반도체(112)는 산소도 같이 생산할 수 있다.In the hydrogen generating device 10 according to the first aspect of the present application, a portion in which hydrogen is generated is the semiconductor electrode 100 , specifically, the p-type semiconductor 111 of the semiconductor electrode 100 , but as described above, the semiconductor By changing the voltage applied to the electrode 100 , the n-type semiconductor 112 of the semiconductor electrode 100 may also produce oxygen.

도 5 는 본원의 일 구현예에 따른 반도체 전극(100)의 제조 방법의 순서도이다.5 is a flowchart of a method of manufacturing the semiconductor electrode 100 according to an exemplary embodiment of the present application.

본원에 따른 반도체 전극(100)을 제조하기 위해, 상기 기준 전극(110) 상에 제 1 금속을 증착한다 (S100).In order to manufacture the semiconductor electrode 100 according to the present disclosure, a first metal is deposited on the reference electrode 110 ( S100 ).

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체 전극(100)은 기판(미도시)을 추가 포함할 수 있으며, 상기 기준 전극(110)은 상기 기판 상에 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the semiconductor electrode 100 may further include a substrate (not shown), and the reference electrode 110 may be formed on the substrate, but is not limited thereto.

이어서, 상기 제 1 금속의 상단부에 상기 제 2 금속을 증착한다 (S200).Next, the second metal is deposited on the upper portion of the first metal (S200).

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 금속은 Cu 또는 Zn 를 포함하고, 상기 제 2 금속은 In 또는 Sb 를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 1 금속은 Cu 일 수 있고, 상기 제 2 금속은 In 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the first metal may include Cu or Zn, and the second metal may include In or Sb, but is not limited thereto. For example, the first metal may be Cu and the second metal may be In, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 금속 또는 상기 제 2 금속을 증착하는 단계는 전기 증착(electrodeposition), 화학 기상 증착(chemical vapor deposition), 물리 기상 증착(physical vapor deposition), 원자층 증착(atomic layer deposition), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 공정에 의한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 증착하는 단계는 전기 증착에 의해 수행된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the step of depositing the first metal or the second metal is an electrodeposition, a chemical vapor deposition, a physical vapor deposition (physical vapor deposition), atomic layer deposition ( atomic layer deposition), and may be by a process including one selected from the group consisting of combinations thereof, but is not limited thereto. For example, the depositing may be performed by an electric vapor deposition, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속은 두께 구배(gradient)를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the first metal and the second metal may have a thickness gradient, but is not limited thereto.

도 6 은 본원의 일 구현예에 따른 반도체 전극의 제조 방법을 나타낸 모식도이다. 6 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing a semiconductor electrode according to an exemplary embodiment of the present application.

도 6 을 참조하면, 상기 기준 전극(110, Mo) 상에 형성된 상기 제 1 금속 Cu 는 중앙부가 얇고, 가장자리에 가까워질수록 두꺼운 그릇 모양의 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 제 1 금속상에 형성된 상기 제 2 금속 In 은 상기 제 1 금속과 반대로 중앙부가 두껍고, 가장자리에 가까워질수록 얇은 형태를 가질 수 있다.Referring to FIG. 6 , the first metal Cu formed on the reference electrode 110 (Mo) may have a thin central portion and a thicker bowl shape as it approaches the edge. In addition, the second metal In formed on the first metal may have a thicker central portion as opposed to the first metal, and may have a thinner shape as it approaches an edge.

상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속이 전기 증착에 의해 상기 기준 전극(110) 상에 증착될 경우, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속은 상기 기준 전극(110)의 전류 집중 효과에 의해 위치에 따라 다른 두께, 즉 두께 구배를 가질 수 있다. When the first metal and the second metal are deposited on the reference electrode 110 by electro-deposition, the first metal and the second metal are positioned at a location due to the current concentration effect of the reference electrode 110 . Depending on the thickness, it may have a different thickness, that is, a thickness gradient.

후술하겠지만, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속의 두께 구배에 의해 상기 화합물 반도체(111, 112)는 상기 p 타입 반도체(111) 및 상기 n 타입 반도체(112)가 교대로 배치되어 형성될 수 있다.As will be described later, the compound semiconductors 111 and 112 may be formed by alternately disposing the p-type semiconductor 111 and the n-type semiconductor 112 due to the thickness gradient of the first metal and the second metal. .

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속의 원자 조성비는 0.3 내지 1.0 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the atomic composition ratio of the first metal and the second metal may be 0.3 to 1.0, but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 제 1 금속이 Cu 이고, 상기 제 2 금속이 In 이고, Cu 및 In의 원자 조성비가 0.3 미만인 경우, 상기 n 형 반도체 (112)를 형성하는 CIS계 화합물은 CuIn5Se8 이 될 수 있고, 상기 CuIn5Se8은 CuIn3Se5 에 비해 효율이 떨어지게 된다. 또한, 상기 Cu 및 In 의 원자 조성비가 1.0 을 초과할 경우, 상기 n 형 반도체 (112)를 대신하여 Cu2Se 의 반도체 매트릭스가 형성될 수 있고, 상기 Cu2Se 는 상기 n 형 반도체(112)로서의 기능을 수행할 수 없다.For example, when the first metal is Cu, the second metal is In, and the atomic composition ratio of Cu and In is less than 0.3, the CIS-based compound forming the n-type semiconductor 112 is CuIn 5 Se 8 and CuIn 5 Se 8 has lower efficiency than CuIn 3 Se 5 . In addition, when the atomic composition ratio of Cu and In exceeds 1.0, a semiconductor matrix of Cu 2 Se may be formed instead of the n-type semiconductor 112 , and the Cu 2 Se is the n-type semiconductor 112 . unable to perform its function as

이어서, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속을 셀레늄 또는 황 분위기 하에 열처리하여 상기 화합물 반도체(111, 112)를 제조한다 (S300).Then, the compound semiconductors 111 and 112 are manufactured by heat-treating the first metal and the second metal under a selenium or sulfur atmosphere (S300).

본원에 따른 상기 셀레늄 또는 황 분위기는 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속 상에 증착된 셀레늄 또는 황 층(layer), 또는 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속 상에 셀레늄 또는 황 기체가 공급된 분위기를 의미한다.The selenium or sulfur atmosphere according to the present application is a selenium or sulfur layer deposited on the first metal and the second metal, or an atmosphere in which selenium or sulfur gas is supplied on the first metal and the second metal means

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열처리하는 과정에서는 셀레늄 또는 황이 추가 공급되지 않을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, selenium or sulfur may not be additionally supplied during the heat treatment, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 화합물 반도체(111, 112)는 Cu-In-Se계, Cu-In-S계, Cu-Sb-Se계, Cu-Sb-S계, Zn-In-Se계, Zn-In-S계, Zn-Sb-Se계, Zn-Sb-S계, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the compound semiconductors 111 and 112 are Cu-In-Se-based, Cu-In-S-based, Cu-Sb-Se-based, Cu-Sb-S-based, Zn-In-Se-based It may include a material selected from the group consisting of, Zn-In-S-based, Zn-Sb-Se-based, Zn-Sb-S-based, and combinations thereof, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 화합물 반도체(111, 112)는 교대로 배치된 상기 p 타입 반도체(111) 및 상기 n 타입 반도체(112)를 포함하고, 3 차원 이종 접합 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the compound semiconductors 111 and 112 may include the p-type semiconductor 111 and the n-type semiconductor 112 arranged alternately, and may have a three-dimensional heterojunction structure, However, the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 열처리하는 온도는 450℃ 내지 650℃ 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the heat treatment temperature may be 450 °C to 650 °C, but is not limited thereto.

종래의 화합물 반도체를 형성하기 위해, 상이한 두 금속 또는 하나의 금속을 다단계에 걸쳐 승온할 경우, 종래의 화합물 반도체는 전 영역에서 균일하게 결정화되고, 상이 단일화되어 종래의 화합물 반도체는 단일상을 가질 수 있다. 상술하였듯, 단일상을 갖는 종래의 화합물 반도체는 전기 이중층에 의해 쉽게 부식될 수 있는 문제점이 존재한다.In order to form a conventional compound semiconductor, when two different metals or one metal are heated in multiple steps, the conventional compound semiconductor is uniformly crystallized in the entire region, and the phase is unified so that the conventional compound semiconductor can have a single phase. have. As described above, the conventional compound semiconductor having a single phase has a problem in that it can be easily corroded by the electric double layer.

본원에 따른 반도체 전극(100)을 형성하기 위해, 상기 제 1 금속 및 상기 제2 금속을 셀레늄 또는 황으로 급속 승온 열처리할 경우, 종래의 화합물 반도체의 형성 방법과 달리 결정화의 균일도가 감소하고, 상의 단일화 효과가 억제되어 상기 화합물 반도체(111, 112)는 단일상을 갖지 않는다. 따라서, 상기 화합물 반도체(111, 112)는 열역학적 상태도 상에 존재하는 이종상인 상기 p 타입 반도체(111) 및 상기 n 타입 반도체(112)를 동시에 포함할 수 있으며, 상기 두께 구배는 상기 화합물 반도체(111, 112)가 다상을 갖도록 하기 위한 무질서도(entropy)의 향상을 유도할 수 있다.In order to form the semiconductor electrode 100 according to the present application, when the first metal and the second metal are subjected to a rapid heat treatment with selenium or sulfur, the uniformity of crystallization is reduced, unlike the conventional method of forming a compound semiconductor, Since the unification effect is suppressed, the compound semiconductors 111 and 112 do not have a single phase. Therefore, the compound semiconductors 111 and 112 may simultaneously include the p-type semiconductor 111 and the n-type semiconductor 112, which are heterogeneous phases present on the thermodynamic phase diagram, and the thickness gradient is the compound semiconductor ( 111 and 112) may induce an improvement in entropy to have a polyphase.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail through the following examples, but the following examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present application.

[실시예] [Example]

유리 기판 상에 Mo 전극을 형성하고, 전기 증착 공정을 통해 Cu 를 증착하였다. 이어서, 상기 Cu 상에 In 을 수직하게 증착한 후, 상기 Cu-In 기둥 상에 Se 을 상온에서 진공 증착하였다.Mo electrodes were formed on a glass substrate, and Cu was deposited through an electrodeposition process. Then, after vertically depositing In on the Cu, Se was vacuum-deposited on the Cu—In pillars at room temperature.

이어서, 추가적인 Se 의 공급과 함께 27℃/분의 속도로 승온한 후, Se 공급 없이 550℃에서 상기 Cu-In 기둥을 셀레늄화 및 재결정화시킴으로써, n 타입 반도체의 Cu-In-Se계 화합물 및 p 타입 반도체의 Cu-In-Se계 화합물이 교대로 배치된 반도체 전극을 제조하였다.Then, after raising the temperature at a rate of 27° C./min with the supply of additional Se, selenization and recrystallization of the Cu—In column at 550° C. without the supply of Se, a Cu-In-Se-based compound of an n-type semiconductor and A semiconductor electrode in which a Cu-In-Se-based compound of a p-type semiconductor is alternately disposed was manufactured.

이어서, 상기 반도체 전극을 교류 전원에 연결한 후, 물에 함침시킴으로써 수소 발생 분위기를 조성하였다.Then, the semiconductor electrode was connected to an AC power source and then immersed in water to create a hydrogen generating atmosphere.

도 7 은 상기 실시예에 따른 반도체 전극의 TEM 이미지 및 SAED(Selected area electron diffraction) 이미지이다.7 is a TEM image and a selected area electron diffraction (SAED) image of the semiconductor electrode according to the embodiment.

도 7 을 참조하면, 상기 반도체 전극은 p 타입의 CuInSe2 및 n 타입의 CuIn3Se5 를 동시에 포함하며, 상기 두 물질은 구분되어 존재하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7 , it can be seen that the semiconductor electrode simultaneously contains p-type CuInSe 2 and n-type CuIn 3 Se 5 , and the two materials exist separately.

도 8 은 상기 실시예에 따른 수소 발생 장치의 효율을 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the efficiency of the hydrogen generator according to the embodiment.

도 8 을 참조하면, 상기 수소 발생 장치에 인가되는 전압은 -0.57 V 및 +0.3 V 이며, 시간 경과에 따라 광전류 밀도가 일정하게 유지되는 것을 통해, 상기 수소 발생 장치는 수소를 지속적으로 생산하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8 , the voltages applied to the hydrogen generating device are -0.57 V and +0.3 V, and the photocurrent density is maintained constant over time, so that the hydrogen generating device continuously produces hydrogen can be checked

[실험예 1][Experimental Example 1]

도 9 는 상기 실시예에 따른 수소 발생 장치의 수소 발생 효율 및 교류 전압의 주파수 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing the relationship between the hydrogen generation efficiency of the hydrogen generating device according to the embodiment and the frequency of the AC voltage.

이와 관련하여, 도 9 에서 인가되는 전압의 주파수는 10 Hz 일 때의 전류밀도는 약 10 mA/cm2 이고, 인가되는 전압의 주파수는 0.5 Hz 일 때의 전류밀도는 약 15 mA/cm2 이고, 인가되는 전압의 주파수는 1/30 Hz 일 때의 전류밀도는 약 30 mA/cm2 이다.In this regard, in FIG. 9 , the current density when the frequency of the applied voltage is 10 Hz is about 10 mA/cm 2 , and the current density when the frequency of the applied voltage is 0.5 Hz is about 15 mA/cm 2 , and , when the frequency of the applied voltage is 1/30 Hz, the current density is about 30 mA/cm 2 .

도 9 를 참조하면, 상기 수소 발생 장치에 인가되는 전압의 변화가 적을수록, 즉 상기 전압의 주파수가 낮을수록, 상기 전극에 전하가 유지되는 시간이 증가함으로써 상기 전극 상의 전류 밀도가 향상될 수 있으며, 상기 전류 밀도의 증가는 수소 생산 효율의 향상으로 이어질 수 있다.Referring to Figure 9, the less the change in the voltage applied to the hydrogen generating device, that is, the lower the frequency of the voltage, the time for which the charge is maintained on the electrode increases, so that the current density on the electrode can be improved, , an increase in the current density may lead to an improvement in hydrogen production efficiency.

[실험예 2][Experimental Example 2]

도 10 은 상기 실시예에 따른 수소 발생 장치의 수소 발생 효율 및 빛의 조사 여부 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.10 is a graph showing the relationship between the hydrogen generation efficiency of the hydrogen generating device according to the embodiment and whether or not light is irradiated.

도 10 을 참조하면, 상기 수소 발생 장치에 빛을 조사하면 더 높은 수소 발생 효율이 나타나는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 10 , it can be confirmed that higher hydrogen generation efficiency appears when light is irradiated to the hydrogen generating device.

[실험예 3][Experimental Example 3]

도 11 은 상기 실시예에 따른 수소 발생 장치 상에 인가된 전압 및 수소 발생 효율 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.11 is a graph showing the relationship between the voltage applied on the hydrogen generating device according to the embodiment and the hydrogen generating efficiency.

도 11 을 참조하면, 수소 발생을 위한 전압인 -0.5 V 이 고정되고, 반대 전압의 범위가 커질수록 수소 발생을 위한 전류 밀도가 증가하며, 교류 전압의 범위가 1.23 V 이하의 차이에서도 수소가 발생할 수 있으며, 교류 전압의 범위가 클수록 더 높은 수소 발생 효율을 가질 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 11 , the voltage for generating hydrogen, -0.5 V, is fixed, and as the range of the opposite voltage increases, the current density for hydrogen generation increases, and hydrogen can be generated even when the range of the alternating voltage is 1.23 V or less. It can be confirmed that the larger the range of the AC voltage, the higher the hydrogen generation efficiency can be.

상기 실험예 1 내지 3 의 결론을 종합하면, 빛이 조사되는 환경에서, 본원에 따른 수소 발생 장치 상에 전압의 범위가 크고 주파수가 낮은 전압을 인가하면 수소가 활발하게 발생하는 것을 확인할 수 있다.Summarizing the conclusions of Experimental Examples 1 to 3, it can be confirmed that hydrogen is actively generated when a voltage having a large voltage range and a low frequency is applied to the hydrogen generating device according to the present application in an environment where light is irradiated.

[실험예 4] [Experimental Example 4]

도 12 는 상기 실시예에 따른 반도체 전극에 교류 전압 또는 직류 전압을 인가한 시간에 따른 수소 발생을 나타낸 그래프이다.12 is a graph illustrating hydrogen generation according to time when an AC voltage or a DC voltage is applied to the semiconductor electrode according to the embodiment.

도 12 를 참조하면, 상기 반도체 전극에 직류 전압 또는 교류 전압을 인가하면 수소를 생산할 수 있다. 그러나, 종래의 수소 발생 장치와 마찬가지로 상기 반도체 전극에 직류 전압을 인가할 때 보다, 교류 전압을 인가할 경우, 더 많은 수소를 수득할 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 12 , hydrogen can be produced when a DC voltage or an AC voltage is applied to the semiconductor electrode. However, it can be confirmed that more hydrogen can be obtained when an AC voltage is applied than when a DC voltage is applied to the semiconductor electrode as in the conventional hydrogen generator.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present application is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present application pertains will understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present application. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a dispersed form, and likewise components described as distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present application.

10 : 수소 발생 장치
100 : 반도체 전극
110 : 기준 전극
111 : p 타입 반도체
112 : n 타입 반도체
200 : 교류 전원
300 : 상대 전극
400 : 전해질
10: hydrogen generator
100: semiconductor electrode
110: reference electrode
111: p-type semiconductor
112: n-type semiconductor
200: AC power
300: counter electrode
400: electrolyte

Claims (15)

교류 전원;
상기 교류 전원과 연결된 반도체 전극 및 상대 전극;
상기 반도체 전극이 함침된 전해질; 및
상기 반도체 전극에 빛을 조사하는 광원;
을 포함하고,
상기 반도체 전극은 기준 전극 및 상기 기준 전극으로부터 수직으로 성장하여 배열된 n 타입 반도체 및 p 타입 반도체를 포함하고,
상기 반도체 전극은 상기 n 타입 반도체 및 상기 p 타입 반도체가 교대로 배치된 3 차원 이종 접합 구조를 가지고,
상기 반도체 전극에서는 전자 및 정공의 재결합 과정이 발생하지 않는 것인,
수소 발생 장치에 있어서,
상기 수소 발생 장치는 교류 전원에 의해 상기 수소 발생 장치의 반도체 전극의 표면에서는 전기 이중층 현상이 억제되고,
상기 광원으로부터 조사된 빛 및 상기 교류 전원으로부터 인가된 음의 전압에 의해 상기 p 타입 반도체의 표면에서 수소가 발생하고, 상기 수소는 상기 p 타입 반도체의 표면에 결합되고,
상기 광원으로부터 조사된 빛 및 상기 교류 전원으로부터 인가된 양의 전압에 의해 상기 p 타입 반도체의 표면 상에 결합된 상기 수소가 이탈되는 것이고,
상기 n 타입 반도체는 CuIn3Se5 이고, 상기 p 타입 반도체는 CuInSe2 이고,
상기 전자 및 상기 정공은 상기 p 타입 반도체 및 상기 n 타입 반도체 내에서는 교류 전압으로 인한 에너지 밴드 휨 방향이 주기적으로 변화되는 것이고,
상기 교류 전원의 주파수는 0.01 Hz 내지 30 Hz 이고,
상기 교류 전원은 상기 기준 전극 상에 -1.0 V 내지 +1.5 V 의 전압을 인가하고,
상기 반도체 전극에 조사된 영역에 조사된 빛에 의해 상기 p 타입 반도체 또는 상기 n 타입 반도체 상에 결핍 영역이 형성되고,
광전 효과에 의해 상기 n 타입 반도체 또는 상기 p 타입 반도체에서 발생한 전자는 상기 결핍 영역으로 이동하고,
상기 반도체 전극의 절단면은 상기 p 타입 반도체 및 상기 n 타입 반도체가 교대로 배치된 수평병렬구조이고,
상기 조사되는 빛의 파장은 300 nm 내지 900 nm 인,
수소 발생 장치.
AC power;
a semiconductor electrode and a counter electrode connected to the AC power supply;
an electrolyte impregnated with the semiconductor electrode; and
a light source irradiating light to the semiconductor electrode;
including,
The semiconductor electrode includes a reference electrode and an n-type semiconductor and a p-type semiconductor arranged to grow vertically from the reference electrode,
The semiconductor electrode has a three-dimensional heterojunction structure in which the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are alternately disposed,
In the semiconductor electrode, the recombination process of electrons and holes does not occur,
In the hydrogen generating device,
In the hydrogen generator, an electric double layer phenomenon is suppressed on the surface of the semiconductor electrode of the hydrogen generator by AC power,
Hydrogen is generated on the surface of the p-type semiconductor by the light irradiated from the light source and the negative voltage applied from the AC power source, and the hydrogen is coupled to the surface of the p-type semiconductor,
The hydrogen bound on the surface of the p-type semiconductor is released by the light irradiated from the light source and the positive voltage applied from the AC power source,
The n-type semiconductor is CuIn 3 Se 5 , the p-type semiconductor is CuInSe 2 ,
The electrons and the holes periodically change the energy band bending direction due to an alternating voltage in the p-type semiconductor and the n-type semiconductor,
The frequency of the AC power is 0.01 Hz to 30 Hz,
The AC power applies a voltage of -1.0 V to +1.5 V on the reference electrode,
A depletion region is formed on the p-type semiconductor or the n-type semiconductor by the light irradiated to the region irradiated to the semiconductor electrode,
Electrons generated in the n-type semiconductor or the p-type semiconductor by the photoelectric effect move to the depletion region,
The cut surface of the semiconductor electrode is a horizontally parallel structure in which the p-type semiconductor and the n-type semiconductor are alternately arranged,
The wavelength of the irradiated light is 300 nm to 900 nm,
hydrogen generator.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 기준 전극 및 상기 상대 전극은 각각 독립적으로 Mo, Au, Pt, Ti, Ag, Ni, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Fe, Al, Mg, Si, W, Cu, 란탄계 금속, 이들의 질화물, 이들의 산화물, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 수소 발생 장치.
The method of claim 1,
The reference electrode and the counter electrode are each independently Mo, Au, Pt, Ti, Ag, Ni, Zr, Ta, Zn, Nb, Cr, Co, Mn, Fe, Al, Mg, Si, W, Cu, lanthanum A hydrogen generating device comprising one selected from the group consisting of metal-based metals, nitrides thereof, oxides thereof, conductive polymers, and combinations thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 교류 전원의 에너지원은 태양전지, 압전소자, 열전소자, 마찰전기, 광전소자, 자성유체(ferrofluid), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 수소 발생 장치.
The method of claim 1,
The energy source of the AC power is a solar cell, a piezoelectric element, a thermoelectric element, a triboelectric element, a photoelectric element, a ferrofluid, and a hydrogen generating device comprising one selected from the group consisting of combinations thereof.
삭제delete 제 1 항, 제 7 항, 및 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 수소 발생 장치의 반도체 전극의 제조 방법에 있어서,
상기 기준 전극 상에 제 1 금속을 증착하는 단계;
상기 제 1 금속의 상단부에 제 2 금속을 증착하는 단계; 및
상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속을 셀레늄 또는 황 분위기 하에 열처리하여 화합물 반도체를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속의 원자 조성비는 0.3 내지 1.0 이고,
상기 화합물 반도체는 교대로 배치된 n 타입 반도체 및 p 타입 반도체를 포함하고, 3 차원 이종 접합 구조를 갖고,
상기 n 타입 반도체는 CuIn3Se5 이고, 상기 p 타입 반도체는 CuInSe2 이고,
상기 반도체 전극에 조사된 영역에 빛을 조사하면 상기 p 타입 반도체 또는 상기 n 타입 반도체 상에 결핍 영역이 형성되는 것인,
반도체 전극의 제조 방법.
The method for manufacturing a semiconductor electrode of a hydrogen generating device according to any one of claims 1, 7, and 8,
depositing a first metal on the reference electrode;
depositing a second metal on top of the first metal; and
Comprising the step of heat-treating the first metal and the second metal under a selenium or sulfur atmosphere to prepare a compound semiconductor,
The atomic composition ratio of the first metal and the second metal is 0.3 to 1.0,
The compound semiconductor includes an n-type semiconductor and a p-type semiconductor alternately arranged, and has a three-dimensional heterojunction structure,
The n-type semiconductor is CuIn 3 Se 5 , the p-type semiconductor is CuInSe 2 ,
When light is irradiated to the region irradiated to the semiconductor electrode, a depletion region is formed on the p-type semiconductor or the n-type semiconductor,
A method for manufacturing a semiconductor electrode.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 금속 또는 상기 제 2 금속을 증착하는 단계는 전기 증착(electrodeposition), 화학 기상 증착(chemical vapor deposition), 물리 기상 증착(physical vapor deposition), 원자층 증착(atomic layer deposition), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 공정에 의한 것인, 반도체 전극의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The step of depositing the first metal or the second metal may include an electrodeposition, a chemical vapor deposition, a physical vapor deposition, an atomic layer deposition, and a method thereof. A method of manufacturing a semiconductor electrode by a process comprising one selected from the group consisting of combinations.
제 10 항에 있어서,
상기 열처리하는 온도는 450℃ 내지 650℃ 인, 반도체 전극의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The heat treatment temperature is 450 ℃ to 650 ℃, a method of manufacturing a semiconductor electrode.
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