KR102622618B1 - 효율이 향상된 광전기화학전지 및 그를 포함하는 수소 발생장치 - Google Patents
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Abstract
효율이 향상된 광전기화학전지 및 그를 포함하는 수소 발생장치를 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광을 입사받아 광전류를 발생시키는 광전기화학 전지에 있어서, 기판과 상기 기판 상에 성장하며, n형 도핑된 반도체 층으로 구현되는 제1 레이어와 상기 제1 레이어 상에 성장하며, 도핑되지 않은 반도체층으로 구현되는 제2 레이어 및 상기 제2 레이어 상에 성장하며, p형 도핑된 반도체 층으로 구현되는 제3 레이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광을 입사받아 광전류를 발생시키는 광전기화학 전지에 있어서, 기판과 상기 기판 상에 성장하며, n형 도핑된 반도체 층으로 구현되는 제1 레이어와 상기 제1 레이어 상에 성장하며, 도핑되지 않은 반도체층으로 구현되는 제2 레이어 및 상기 제2 레이어 상에 성장하며, p형 도핑된 반도체 층으로 구현되는 제3 레이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 전지를 제공한다.
Description
본 발명은 효율이 향상된 광전기화학전지 및 그를 포함하여 상대적으로 더 많은 양의 수소를 발생시키는 수소 발생장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
인류의 전기발전 시스템을 이용하여 물을 분해함으로써, 화학에너지인 수소를 생산하는 기술들이 개발되고 있다. 다만, 이와 같이 수소를 생산하는 기술들에서는 여러 단계의 시스템(과정)을 거치는 동안 많은 에너지의 손실이 발생한다. 이에, 전기 전달 과정에서 발생하는 에너지 손실을 최소화하기 위하여, 전력을 생산하지 않고 직접적으로 물을 분해하여 수소와 산소를 생산하는 시스템이 제안되었으며, 이를 일반적으로 광전기화학적(Photoelectrochemical) 수소 제조라 한다.
초기의 광전기화학 전지(Photoelectrochemical Cells)는 전해질이 포함된 물에 담긴 채로 동작하게 된다. 광전기화학 전지 표면에서 전위차가 발생하며 밴드 벤딩(Band Bending)현상이 발생한다. 광전기화학 전지로 광이 입사될 경우, 이러한 현상에 의해 전지 내에서 생산되는 전자/정공 쌍의 분리가 발생한다.
발생하는 전자나 정공은 물 내 존재하는 산소나 수소의 산화/환원 반응을 유도하여 산소와 수소를 발생시킨다.
다만, 종래의 광전기화학 전지는 전자/정공 쌍이 아주 낮은 수준으로 분리되기 때문에, 광전기화학 전지를 이용해서 충분한 양의 수소를 발생시키기 어렵거나 충분한 양의 수소를 발생시키기까지 오랜 시간이 소모되는 문제가 있었다.
본 발명의 일 실시예는, 전자/정공 쌍의 분리 효율이 향상된 광전기화학 전지 및 그를 포함하여 수소 발생효율을 향상시킨 수소 발생장치를 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 광을 입사받아 광전류를 발생시키는 광전기화학 전지에 있어서, 기판과 상기 기판 상에 성장하며, n형 도핑된 반도체 층으로 구현되는 제1 레이어와 상기 제1 레이어 상에 성장하며, 도핑되지 않은 반도체층으로 구현되는 제2 레이어 및 상기 제2 레이어 상에 성장하며, p형 도핑된 반도체 층으로 구현되는 제3 레이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 전지를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 반도체층은 AlxInyGa1-x-yN, BiVO4, GaInP2(Pt)/TJ/GaAs 및 a-Si/TiO2 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제2 레이어는 외부로부터 광을 입사받을 경우, 전자/정공 쌍을 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제2 레이어는 밴드 벤딩(Band Bending)을 형성하여, 생성된 전자/정공 쌍을 분리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 수소를 발생시키는 수소 발생장치에 있어서, 상기 광전기화학 전지와 상기 광전기화학 전지로부터 생성되어 분리된 전자를 유입받는 상대전극 및 상기 광전기화학 전지가 배치될 수 있도록 하는 공간을 제공하며, 상기 공간 내에 전해질 용액을 포함하는 용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 전해질 용액은 수소 이온을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 상대전극은 상기 광전기화학 전지로부터 생성되어 분리된 전자를 유입받아 수소 이온을 환원시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 광을 입사받아 광전류를 발생시키는 광전기화학 전지에 있어서, 기판과 상기 기판 상에 성장하며, p형 도핑된 반도체 층으로 구현되는 제1 레이어와 상기 제1 레이어 상에 성장하며, 도핑되지 않은 반도체층으로 구현되는 제2 레이어 및 상기 제2 레이어 상에 성장하며, n형 도핑된 반도체 층으로 구현되는 제3 레이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 전지를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 반도체층은 AlxInyGa1-x-yN, BiVO4, GaInP2(Pt)/TJ/GaAs 및 a-Si/TiO2 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제2 레이어는 외부로부터 광을 입사받을 경우, 전자/정공 쌍을 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제2 레이어는 밴드 벤딩(Band Bending)을 형성하여, 생성된 전자/정공 쌍을 분리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 수소를 발생시키는 수소 발생장치에 있어서, 상기 광전기화학 전지와 상기 광전기화학 전지로부터 생성되어 분리된 정공을 유입받는 상대전극 및 상기 광전기화학 전지가 배치될 수 있도록 하는 공간을 제공하며, 상기 공간 내에 전해질 용액을 포함하는 용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 전해질 용액은 수소 이온을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 상대전극은 상기 광전기화학 전지로부터 생성되어 분리된 정공을 유입받아 수산화 이온을 산화시키는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 광전기화학 전지의 전자/정공 쌍의 분리 효율이 향상됨으로써, 그를 포함하는 수소 발생장치에서 수소의 발생효율이 향상될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전기화학 전지의 구성을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전기화학 전지의 에너지 밴드를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전기화학 전지로부터 발생하는 광전류의 밀도 변화를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전기화학 전지의 구성을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전기화학 전지의 에너지 밴드를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전기화학 전지로부터 발생하는 광전류의 밀도 변화를 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생장치(100)는 광전기화학 전지(110), 상대전극(120) 및 용기(130)를 포함한다.
광전기화학 전지(Photoelectrochemical Cells, 110)는 광을 입사받아 전자/정공 쌍을 생성한 후 이를 분리시킨다. 광전기화학 전지(110)는 도 2를 참조하여 후술할 구조를 구비함으로써, 전자/정공 쌍을 생성한 후 이를 분리시키되 종래의 전지보다 많은 전자/정공 쌍을 분리시킨다. 동일한 광량의 광이 입사되더라도 종래의 전지에 비해 보다 많은 전자/정공 쌍을 분리시키기 때문에, 광전기화학 전지(110)는 우수한 분리 효율을 갖는다.
광전기화학 전지(110)는 용기(130) 내에 배치되어 수소를 발생시킨다. 용기(130) 내에는 수소를 포함한 전해질 용액이 포함된다. 전술한 대로, 광전기화학 전지(110)는 전자/정공 쌍을 분리시킨다. 분리된 전자/정공 중 어느 하나는 광전기화학 전지의 표면(115)으로 이동하고, 나머지 하나는 상대전극(120)으로 이동한다. 이에 광전기화학 전지(110)의 표면에서 전자 및 정공 중 어느 하나에 의해 산화작용 및 환원작용 중 어느 하나가 발생하여, 수소 기체 및 전해질 용액 내 포함된 다른 성분의 기체(예를 들어, 전해질 용액이 물일 경우 산소 기체) 중 어느 하나가 발생한다. 상대전극(120)에서는 전자 및 정공 중 나머지 하나에 의해 산화작용 및 환원작용 중 나머지 하나가 발생하여, 수소 기체 및 다른 성분의 기체 중 나머지 하나가 발생한다. 광전기화학 전지(110)에서 발생하는 (분리된) 전자와 정공의 양이 많아질수록, 전해질 용액 내에서와 상대전극(120)에서의 산화 및 환원작용이 활발해지며 기체, 특히, 수소 기체의 생산량이 많아지는 것은 자명하다. 이에, 광전기화학 전지(110)는 보다 많은 전자/정공 쌍을 분리시켜, 수소 발생장치(100)가 보다 많은 양의 수소 기체를 생성하도록 한다.
상대전극(120)은 광전기화학 전지(110)와 전기적으로 연결되어, 광전기화학 전지(110)에서 생성되는 전자 또는 정공 중 어느 하나를 유입받아 수소기체 또는 다른 성분의 기체를 발생시킨다. 일 예로서, 전해질 용액은 수소이온을 포함하는 용액으로서 대표적인 예가 물이다. 전해질 용액 내에는 추가적인 전해질 성분이 포함될 수 있다. 전해질 성분은 황산 나트륨(Na2SO4), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH) 또는 인산칼륨(KH2PO4) 등일 수 있다. 이하에서는 편의상 용기(130) 내 배치되는 전해질 용액이 물 또는 전해질 성분을 추가로 포함하는 물로 한정하여 설명하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 광전기화학 전지(110)의 구조에 의해 전자가 상대전극(120)으로 유입되는 경우를 가정하면, 상대전극(120)으로 유입되는 전자가 전해질 용액 내 포함된 수소 이온(H+)을 환원시킨다. 수소 이온이 환원되며, 상대전극(120)의 표면에서 수소 기체가 발생한다. 이 경우, 광전기화학 전지(110)의 표면에서는 정공이 전해질 용액으로 방출되며, 전해질 용액 내 수산화 이온(OH-)을 산화시킨다. 수산화 이온(OH-)이 산화되며, 광전기화학 전지(110)의 표면에서 산소 기체가 발생한다. 반대로, 광전기화학 전지(110)의 구조에 의해 전공이 상대전극(120)으로 유입되는 경우를 가정하면, 상대전극(120)에서는 산소 기체가 발생하며, 광전기화학 전지(110)의 표면에서 수소 기체가 발생한다.
용기(130)는 광전기화학 전지(110)가 자신의 내부에 배치될 수 있도록 하는 공간을 제공하며, 해당 공간 내에 전해질 용액을 포함한다. 전술한 대로, 용기(130) 내에는 광전기화학 전지(110)에 의해 수소 기체가 발생할 수 있도록, 수소 이온을 포함하는 전해질 용액이 포함된다. 용기(130)는 전해질 용액을 포함하여, 광전기화학 전지(110)가 광을 입사받아 동작하며 발생하는 전자/정공에 의해 수소가 발생될 수 있도록 한다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광전기화학 전지의 구성을 도시한 단면도이고, 도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광전기화학 전지의 에너지 밴드를 도시한 도면이며, 도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광전기화학 전지로부터 발생하는 광전류의 밀도 변화를 도시한 그래프이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광전기화학 전지(110a)는 기판(210), 제1 레이어(230), 제2 레이어(240) 및 제3 레이어(250)를 포함한다. 나아가, 광전기화학 전지(110a)는 버퍼층(220)을 더 포함할 수 있다.
기판(210)은 제1 내지 제3 레이어(230 내지 250)를 성장시킨다. 기판(210)은 최하단에서 각 레이어들(230 내지 250)이 자신의 상단에 성장할 수 있도록 한다.
제1 레이어(230)는 기판(210) 상에 성장한다. 제1 레이어(230)는 n타입 반도체층의 성분, 예를 들어, n-AlxInyGa1-x-yN, BiVO4, n-GaInP2(Pt)/TJ/GaAs 또는 a-Si/TiO2로 구현되어, n타입 레이어를 구성할 수 있다. 특히, 제1 레이어(30)는 n-AlxInyGa1-x-yN로 구현될 수 있다.
제2 레이어(240)는 제1 레이어(230) 상에 성장하며, 제1 레이어와 동일하지만 도핑되지 않은 성분으로 구현된다. 예를 들어, 제1 레이어(230)가 n-AlxInyGa1-x-yN으로 구현될 경우, 제2 레이어(240)는 도핑되지 않은 AlxInyGa1-x-yN으로 구현될 수 있다.
제2 레이어(240)는 제1 레이어(230)와 제3 레이어(250)의 사이에 배치되어, 활성층의 역할을 수행한다. 광이 전지(110)로 입사될 경우, 제2 레이어(240)로부터 전자/정공 쌍이 생성된다.
제3 레이어(250)는 제2 레이어(240) 상에 성장하며, 제1 레이어와 동일한 성분의 p타입 반도체 성분으로 구현되어, p타입 레이어를 구성할 수 있다. 예를 들어, 제1 레이어(230)가 n-AlxInyGa1-x-yN으로 구현될 경우, 제3 레이어(240)는 p-AlxInyGa1-x-yN으로구현될 수 있다.
제1 레이어(230) 내지 제3 레이어(250)는 이처럼 전술한 성분을 가지며 적층된 구조를 갖기 때문에, pn 정션(Junction)을 형성하며 도 3a에 도시된 것과 같은 에너지 밴드갭을 갖는다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 광전기화학 전지(110a)는 광이 입사되는 광전기화학 전지(110a)의 표면(115)에서 밴드 벤딩(310, 315)이 발생한다. 밴드 벤딩(310, 315)에 의해 전지(110a) 내에서 생성된 전자/정공 쌍은 각각 전자와 정공으로 분리된다. p타입 레이어인 제3 레이어(250)가 광이 입사방향으로 최상단에 배치되기 때문에, 분리된 전자 및 정공 중 전자(e-)는 상대전극(120)으로 이동하며, 정공(h+)은 표면(115)에서 전해질 용액으로 방출된다. 전술한 대로, 전자는 상대전극(120)으로 이동하여 수소 이온을 환원시키며 수소 기체를 생성하고, 정공은 전해질 용액으로 방출되며 수산화 이온을 산화시켜 산소 기체를 생성한다.
이때, 광전기화학 전지(110a)는 광 활성층에 해당하는 제2 레이어(240)를 추가로 포함하기 때문에, 에너지 밴드갭의 (끝부분을 제외한) 일 부분에 추가적인 밴드 벤딩(320, 325)이 형성된다. 추가로 형성되는 밴드 밴딩(320, 325)에 의해, 해당 부분에서 추가적으로 전자/정공 쌍의 분리가 발생하며, 분리되는 전자량과 정공량이 증가하게 된다. 분리되는 전자량과 정공량의 증가는 수소 이온을 보다 많이 환원시키고 수산화 이온을 보다 많이 산화시키기 때문에, 생성되는 기체량이 증가하게 된다. 분리되는 전자량과 정공량의 증가는 도 4a에 의해 뒷받침된다.
도 4a는 1cm2 크기의 광전기화학 전지(110a)에 다양한 크기의 전압을 인가하였을 경우, 광이 입사되는 상황에서 생성되는 광전류(Photocurrent) 밀도를 도시한 그래프이다. 도 4a의 그래프가 펄스 형태로 나타나는 것은 광이 지속적으로 인가되는 것이 아니라, 주기적으로 인가와 차단이 반복되기 때문이다.
종래의 광전기화학 전지(410)를 참조하면, 인가되는 전압이 0.5V 부근일 때 약 2mA/cm2의 광전류가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 광전기화학 전지(110a)는 약 1.3V 부근에서 약 5mA/cm2의 광전류가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 광전기화학 전지(110a)는 종래의 그것에 비해 적어도 2.5배 이상의 광전류를 더 발생시키는 것을 확인할 수 있다. 전해질 용액 내 수소 이온이 부족하지 않는 한, 광전류량은 발생하는 수소 기체량과 비례한다. 이에, 광전지화학 전지(110a)를 포함하는 수소 발생장치(100)는 종래의 그것에 비해 적어도 2.5배 이상의 수소 기체를 발생시킬 수 있다.
나아가, 광전기화학 전지(110a)는 버퍼층(220)을 더 포함할 수 있다. 기판(210) 상에 일정 두께의 레이어가 성장해 있지 않을 경우, 제1 레이어(230)가 원활히 성장하지 못할 가능성이 존재한다. 이에, 버퍼층(220)은 기판(210)과 제1 레이어(230) 사이에서, 제1 레이어(230)보다 우선하여 기판(210) 상에 성장할 수 있다. 버퍼층(220)은 먼저 성장하여 일정 두께를 만듦으로써, 제1 레이어(230)가 온전히 성장할 수 있도록 한다.
제1 내지 제3 레이어(230 내지 250)는 종래의 광전기화학 전지 내 광을 입사받아 전자/정공 쌍을 생성하여 분리시키는 레이어(반도체층)의 두께와 동일하거나 유사(일정한 오차 범위 내)할 수 있다. 별도로 제2 레이어(240)가 추가된다고 하여 종래의 레이어보다 두껍게 구현될 필요는 없으며, 각 레이어들(230 내지 250)이 적절한 두께를 가짐으로써, 종래의 광전기화학 전지 내 (단일) 레이어와 동일하거나 유사한 두께를 가질 수 있다. 이에, 광전기화학 전지(110)가 복수의 레이어를 포함한다고 하여 특별히 두껍게 구현되지 않는다.
도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광전기화학 전지의 구성을 도시한 단면도이고, 도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광전기화학 전지의 에너지 밴드를 도시한 도면이며, 도 4b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광전기화학 전지로부터 발생하는 광전류의 밀도 변화를 도시한 그래프이다.
도 2b를 참조하면, 광전기화학 전지(110b)는 광전기화학 전지(110a)와 동일한 구성을 포함하나, 각 레이어의 적층되는 순서가 달라진다. 광전기화학 전지(110a)는 기판(210)으로부터 순차적으로 n타입 레이어인 제1 레이어(230), 도핑되지 않은 제2 레이어(240) 및 p타입 레이어인 제3 레이어(250)가 성장한다면, 광전기화학 전지(110b)는 기판(210)으로부터 순차적으로 p타입 레이어인 제3 레이어(250), 도핑되지 않은 제2 레이어(240) 및 n타입 레이어인 제1 레이어(230)가 성장한다.
마찬가지로, 광전기화학 전지(110b)는 원활한 제3 레이어(250)의 성장을 위해, 기판(210) 상에 제3 레이어(250)보다 우선하여 성장되는 버퍼층(220)을 포함할 수 있다.
광전기화학 전지(110b)는 광이 입사되는 방향으로 최상단에 n타입 레이어인 제1 레이어(230)가 배치되기 때문에, 도 3b에 도시된 바와 같은 에너지 밴드갭을 갖는다.
광전기화학 전지(110b)는 n타입 레이어인 제1 레이어(230)가 광이 입사방향으로 최상단에 배치되기 때문에, 표면(115)과 먼 끝단에서 밴드 벤딩(330, 335)이 발생한다. 이에 따라 분리된 전자 및 정공 중 전자가 표면(115)으로 이동하고, 정공이 상대전극(120)으로 이동한다. 광전기화학 전지(110b)의 표면(115)에서는 전자가 방출되며, 수소 이온이 환원되어 수소 기체가 발생한다. 반대로, 상대전극(120)에서는 정공에 의해 수산화 이온이 산화되며 산소 기체가 발생한다.
또한, 광전기화학 전지(110b)도 제2 레이어(240)를 포함하기 때문에, 에너지 밴드갭 중 일부분에 추가적인 밴드 벤딩(340, 345)이 형성된다. 이에 의해 추가적인 전자/정공 쌍의 분리가 발생한다. 분리되는 전자량과 정공량의 증가는 도 4b에 의해 뒷받침된다.
종래의 광전기화학 전지(410)는 음전압이 인가되는 경우, 광전류가 거의 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다. 종래의 광전기화학 전지는 광전기화학 전지(110b)와 같이 광이 입사되는 방향으로 최상단에 n타입 레이어(제3 레이어)가 위치하는 방식으로의 동작은 거의 불가능했다.
반면, 광전기화학 전지(110b)는 전압이 인가되는 경우(광전기화학 전지(110a)와 레이어의 방향이 반대이므로, 동일한 크기의 전압이 인가되어도 극성이 달라짐), 광전기화학 전지(110a) 보다는 작지만 종래의 광전기화학 전지에 비해 상대적으로 상당히 큰 정도의 전류가 발생함을 확인할 수 있다.
이를 참조할 때, 광이 입사되는 방향으로 최상단에 p타입 레이어(제1 레이어)가 위치하는 구조(기판을 기준으로 n타입 레이어, 도핑되지 않은 레이어, p타입 레이어 순으로 성장하는 구조)를 갖는 광전기화학 전지(110a)는 높은 전자/정공 쌍의 분리(수소 발생) 효율을 가질 수 있다. 반대로, 광이 입사되는 방향으로 최상단에 n타입 레이어(제3 레이어)가 위치하는 구조(기판을 기준으로 p타입 레이어, 도핑되지 않은 레이어, n타입 레이어 순으로 성장하는 구조)를 갖는 광전기화학 전지(110b)는 광부식에 강인하고 높은 신뢰성(수명)을 확보할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 수소 발생장치
110: 광전기화학 전지
120: 상대전극
130: 용기
210: 기판
220: 버퍼부
230: 제1 레이어
240: 제2 레이어
250: 제3 레이어
310 내지 345: 밴드 벤딩
110: 광전기화학 전지
120: 상대전극
130: 용기
210: 기판
220: 버퍼부
230: 제1 레이어
240: 제2 레이어
250: 제3 레이어
310 내지 345: 밴드 벤딩
Claims (14)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 수소를 발생시키는 수소 발생장치에 있어서,
광전기화학 전지;
상기 광전기화학 전지로부터 생성되어 분리된 전자를 유입받는 상대전극; 및
상기 광전기화학 전지가 배치될 수 있도록 하는 공간을 제공하며, 상기 공간 내에 전해질 용액을 포함하는 용기를 포함하며,
상기 광전기화학 전지는,
기판;
상기 기판 상에 성장하며, n형 도핑된 AlxInyGa1-x-yN으로 구현되는 제1 레이어;
상기 제1 레이어 상에 성장하여 활성층의 역할을 수행하며, 도핑되지 않은 AlxInyGa1-x-yN으로 구현되는 제2 레이어; 및
상기 제2 레이어 상에 성장하며, p형 도핑된 AlxInyGa1-x-yN으로 구현되는 제3 레이어를 포함하며,
상기 제2 레이어는 에너지 밴드갭의 일 부분에 추가적인 밴드 벤딩을 형성하여, 추가적으로 전자/정공 쌍의 분리를 발생시키는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치. - 제5항에 있어서,
상기 전해질 용액은,
수소 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치. - 제5항에 있어서,
상기 상대전극은,
상기 광전기화학 전지로부터 생성되어 분리된 전자를 유입받아 수소 이온을 환원시키는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 수소를 발생시키는 수소 발생장치에 있어서,
광전기화학 전지;
상기 광전기화학 전지로부터 생성되어 분리된 정공을 유입받는 상대전극; 및
상기 광전기화학 전지가 배치될 수 있도록 하는 공간을 제공하며, 상기 공간 내에 전해질 용액을 포함하는 용기를 포함하며,
상기 광전기화학 전지는,
기판;
상기 기판 상에 성장하며, p형 도핑된 AlxInyGa1-x-yN으로 구현되는 제1 레이어;
상기 제1 레이어 상에 성장하여 활성층의 역할을 수행하며, 도핑되지 않은 AlxInyGa1-x-yN으로 구현되는 제2 레이어; 및
상기 제2 레이어 상에 성장하며, n형 도핑된 AlxInyGa1-x-yN으로 구현되는 제3 레이어를 포함하며,
상기 제2 레이어는 에너지 밴드갭의 일 부분에 추가적인 밴드 벤딩을 형성하여, 추가적으로 전자/정공 쌍의 분리를 발생시키는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치. - 제12항에 있어서,
상기 전해질 용액은,
수소 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치. - 제12항에 있어서,
상기 상대전극은,
상기 광전기화학 전지로부터 생성되어 분리된 정공을 유입받아 수산화 이온을 산화시키는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
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| JP2015514867A (ja) | 2012-03-30 | 2015-05-21 | エボニック インダストリーズ アクチエンゲゼルシャフトＥｖｏｎｉｋ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ ＡＧ | 光電気化学セル、光電気化学セルを用いた水素および酸素の光駆動生成システムならびに生成方法、および、光電気化学セルの製造方法 |
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