KR20150032433A - 광전극과 그 제조방법 및 이를 이용한 광전기화학 셀 - Google Patents

광전극과 그 제조방법 및 이를 이용한 광전기화학 셀 Download PDF

Info

Publication number
KR20150032433A
KR20150032433A KR20130112041A KR20130112041A KR20150032433A KR 20150032433 A KR20150032433 A KR 20150032433A KR 20130112041 A KR20130112041 A KR 20130112041A KR 20130112041 A KR20130112041 A KR 20130112041A KR 20150032433 A KR20150032433 A KR 20150032433A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gan
based alloy
ingan
inn
aln
Prior art date
Application number
KR20130112041A
Other languages
English (en)
Inventor
하준석
이상현
배효정
Original Assignee
전남대학교산학협력단
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 전남대학교산학협력단, 한국과학기술연구원 filed Critical 전남대학교산학협력단
Priority to KR20130112041A priority Critical patent/KR20150032433A/ko
Publication of KR20150032433A publication Critical patent/KR20150032433A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
    • C25B11/057—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material consisting of a single element or compound
    • C25B11/061—Metal or alloy
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/50—Processes
    • C25B1/55—Photoelectrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 광전극 및 이를 이용한 광전기화학 셀에 관한 것으로, 보다 상세하게는 GaN계 합금을 포함하는 반도체층 및 그래핀층을 포함하는 광전극과 그 제조방법, 및 이를 이용한 광전기화학 셀을 제공함에 따라 넓은 범위의 파장 대역을 갖게 되어 더 많은 태양광에 반응할 수 있고, 전해질 내에서의 광부식이 억제되며 계면에서의 에너지 변환 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

광전극과 그 제조방법 및 이를 이용한 광전기화학 셀{Pothoelectrode and method of forming the same, and photoelectrochemical cell using the Pothoelectrode}
본 발명은 광전극 및 이를 이용한 광전기화학 셀에 관한 것으로, 보다 상세하게는 GaN계 합금을 포함하는 반도체층 및 그래핀층을 포함하는 광전극과 그 제조방법, 및 이를 이용한 광전기화학 셀에 관한 것이다.
최근들어, 지구 온난화 및 석유가스 등 화석연료의 고갈로 인해 수소에너지와 같은 친환경 에너지의 개발이 점점 증가하는 추세이다. 광전기화학적(Photoelectrochemical, PEC) 셀은 반도체성 광전극, 상대전극 및 수 전해액으로 구성되어 있는 광전기화학 시스템 내에서 광에 의해 광촉매 전극을 여기 시키고 이에 의해 생성된 전자-정공쌍을 이용하여 물을 분해하는 셀을 말한다. 이러한 광전기화학적 방법을 이용한 수소 제조는 영구적인 에너지원인 태양광을 이용해 재생자원인 물로부터 부산물없이 수소를 생산하기 때문에 친환경적이고, 이론효율이 기존의 광전기력/전기분해(photovoltaic, PV/electrolysis)방법보다 높다. 또한, 일체형으로 구조가 단순하고 크기조절이 용이할 뿐만 아니라 수소화 산소의 분리 생산이 가능하여 수소만을 얻기에 편리하다.
한편, 최근들어 3족 질화물계 반도체층을 광전극으로 사용하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 3족 질화물계 반도체층을 광전극으로 사용하게 되면 화학적으로 안정하고, 넓은 폭의 파장대역을 갖게 되어 더 많은 태양광에 반응할 수 있다. 하지만, 가시광선에 반응하는 광전극을 만들기 위해 밴드갭을 줄이면 전해질 내에서 광전극의 광부식을 일으킬 수 있고, 광부식을 줄이기 위해 밴드갭을 늘이면 반응하는 태양광선의 비율이 줄어드는 단점이 있다.
이에 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 착안된 것으로서, 태양광-수소 에너지 변환효율을 향상시키면서 전해질 하에서 광부식에 강한 광전극과 그 제조방법 및 이를 이용한 광전기화학 셀을 제공는 데 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 광전기화학 셀용 광전극및 이를 포함하는 광전기화학 셀을 제공한다.
상기 광전기 화학 셀용 광전극은 기판 상에 위치하는 GaN계 합금을 포함하는 반도체층 및 상기 반도체층 상에 위치하는 그래핀층을 포함한다. 상기 GaN계 합금은 InN-GaN계 합금, AlN-GaN계 합금, GaAsN-GaN계 합금, GaP-GaN계 합금, InGaN-GaN계 합금, AlGaN-GaN계 합금, 및 InAlGaN-GaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, InN-GaN-AlN계 합금, InN-GaN-GaAsN계 합금, InN-GaN-GaP계 합금, InN-GaN-InGaN계 합금, InN-GaN-AlGaN계 합금, InN-GaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN계 합금, AlN-GaN-GaP계 합금, AlN-GaN-InGaN계 합금, AlN-GaN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP계 합금, GaAsN-GaN-InGaN계 합금, GaAsN-GaN-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InAlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN계 합금, GaP-GaN-AlGaN계 합금, GaP-GaN-InAlGaN계 합금, InGaN-GaN-AlGaN계 합금, InGaN-GaN-InAlGaN계 합금, AlGaN-GaN-InAlGaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, InN-GaN-AlN-GaAsN계 합금, InN-GaN-AlN-GaP계 합금, InN-GaN-AlN-InGaN계 합금, InN-GaN-AlN-AlGaN계 합금, InN-GaN-AlN-InAlGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, InN-GaN-GaAsN-InGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-AlGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-InAlGaN계 합금, InN-GaN-GaP-InGaN계 합금, InN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, InN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, InN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, InN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, AlN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, AlN-GaN-GaAsN-InGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-InGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-InGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, InGaN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 반도체층은 p-n접합 구조, 헤테로 구조 또는 탠덤구조인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 그래핀층은 0.3nm 내지 1.5nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 측면은 광전기화학 셀용 광전극의 제조방법을 제공한다.
상기 제조방법은 기판 상에 GaN계 합금을 포함하는 반도체층을 형성하는 단계 및 상기 질화물 반도체층의 표면상에 그래핀을 증착시키는 단계를 포함한다. 상기 GaN계 합금은 InN-GaN계 합금, AlN-GaN계 합금, GaAsN-GaN계 합금, GaP-GaN계 합금, InGaN-GaN계 합금, AlGaN-GaN계 합금, 및 InAlGaN-GaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, InN-GaN-AlN계 합금, InN-GaN-GaAsN계 합금, InN-GaN-GaP계 합금, InN-GaN-InGaN계 합금, InN-GaN-AlGaN계 합금, InN-GaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN계 합금, AlN-GaN-GaP계 합금, AlN-GaN-InGaN계 합금, AlN-GaN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP계 합금, GaAsN-GaN-InGaN계 합금, GaAsN-GaN-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InAlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN계 합금, GaP-GaN-AlGaN계 합금, GaP-GaN-InAlGaN계 합금, InGaN-GaN-AlGaN계 합금, InGaN-GaN-InAlGaN계 합금, AlGaN-GaN-InAlGaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, InN-GaN-AlN-GaAsN계 합금, InN-GaN-AlN-GaP계 합금, InN-GaN-AlN-InGaN계 합금, InN-GaN-AlN-AlGaN계 합금, InN-GaN-AlN-InAlGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, InN-GaN-GaAsN-InGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-AlGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-InAlGaN계 합금, InN-GaN-GaP-InGaN계 합금, InN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, InN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, InN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, InN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, AlN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, AlN-GaN-GaAsN-InGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-InGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-InGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, InGaN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 그래핀층을 증착시키는 단계는, 화학적 박리 또는 화학증기증착법을 사용할 수 있다.
GaN계 합금을 포함하는 반도체층을 광전극으로 이용함으로써, 태양광 수소에너지 변환효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 반도체층 상에 그래핀을 위치시킴으로써 전해질 하에서 광부식에 강한 광전극을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전기화학 셀을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전극을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전극의 제조방법을 나타낸 플로우차트이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 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.
본 명세서에서, 어떤 층이 다른 층 "상"에 위치한다고 함은 이들 층들이 직접적으로 접해있는 것 뿐 아니라 이들 층들 사이에 또 다른 층(들)이 위치하는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전기화학 셀의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전기화학 셀은 기판(110) 상에 위치하는 GaN계 합금을 포함하는 반도체층(120) 및 상기 반도체층(120) 상에 위치하는 그래핀층(130)을 포함하는 광전기화학 셀용 광전극(100)과 상대전극(200), 및 상기 광전극(100)과 상대전극(200) 사이에 전해질(300)을 구비한다.
이 때, 상기 광전극(100)에 빛이 조사되면, 상기 반도체층(120)에 함유된 반도체 물질은 각각의 밴드갭에 해당하는 에너지를 흡수하여 여기자를 생성하고, 하기와 같은 반응이 일어난다.
[반응식 1]
2H2O → 4H++ O2 + 4e-
이 때, 상기 반응식 1에서와 같이, 상기 광전극(100)에서는 산소가 발생할 수 있다.
한편, 전자는 상기 광전극에서 전선을 따라 상대전극(200)으로 전도될 수 있다. 상대전극(200)에서는 하기와 같은 반응을 통해 전자를 소모하면서 수소를 발생시킬 수 있다.
[반응식 2]
4H+ + 4e- → 2H2
이렇게 생성된 수소는 연료로서 사용될 수 있다.
<광전극>
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전극의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전극은 기판(110) 상에 위치하는 GaN계 합금을 포함하는 반도체층(120) 및 상기 반도체층(120) 상에 위치하는 그래핀층(130)을 포함한다.
상기 기판(110)은 유리(glass)가 사용될 수 있으며, 세라믹 기판, 금속 기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다. 예를 들면, 유기 기판으로는 소다라임 유기(sodalime glass) 또는 고변형점 소다유리(high strained point soda glass)를 사용할 수 있다. 금속 기판으로 스테인레스 스틸 또는 티타늄을 포함하는 기판을 사용할 수 있다. 폴리머 기판으로는 폴리이미드(polyimide)를 사용할 수 있다. 또한, 상기 기판(110)은 투명할 수 있고, 리지드(rigid)하거나 유연(flexible)할 수 있다.
상기 GaN계 합금을 포함하는 반도체층(120)은 GaN 합금을 포함한다. 이에 따라, 밴드갭이 자외선(UV)부터 IR(적외선)까지 다양하게 변화시킬 수 있기 때문에 더 많은 태양광에 반응할 수 있다. 그리고 화학적으로 안정하기 때문에 다른 반도체 물질과 비교하여 전해질 내에서의 광부식에 대한 저항성이 뛰어나다. 또한, GaN계 합금은 밴드갭이 물을 분해하는데 필요한 1.23V 전압 이상의 밴드-엣지(band-edge) 에너지를 가지고 있기 때문에 물을 분해 할 수 있다.
이 때, GaN계 합금은 상기 GaN계 합금은 InN-GaN계 합금, AlN-GaN계 합금, GaAsN-GaN계 합금, GaP-GaN계 합금, InGaN-GaN계 합금, AlGaN-GaN계 합금, 및 InAlGaN-GaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, InN-GaN-AlN계 합금, InN-GaN-GaAsN계 합금, InN-GaN-GaP계 합금, InN-GaN-InGaN계 합금, InN-GaN-AlGaN계 합금, InN-GaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN계 합금, AlN-GaN-GaP계 합금, AlN-GaN-InGaN계 합금, AlN-GaN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP계 합금, GaAsN-GaN-InGaN계 합금, GaAsN-GaN-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InAlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN계 합금, GaP-GaN-AlGaN계 합금, GaP-GaN-InAlGaN계 합금, InGaN-GaN-AlGaN계 합금, InGaN-GaN-InAlGaN계 합금, AlGaN-GaN-InAlGaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으며, InN-GaN-AlN-GaAsN계 합금, InN-GaN-AlN-GaP계 합금, InN-GaN-AlN-InGaN계 합금, InN-GaN-AlN-AlGaN계 합금, InN-GaN-AlN-InAlGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, InN-GaN-GaAsN-InGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-AlGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-InAlGaN계 합금, InN-GaN-GaP-InGaN계 합금, InN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, InN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, InN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, InN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, AlN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, AlN-GaN-GaAsN-InGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-InGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-InGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, InGaN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 합금들은 태양광에 최대한 반응하는 밴드갭을 가지는 고품질의 합금이다. 때문에 넓은 폭의 파장대역을 갖게 되어 더 많은 태양광에 반응할 수 있다.
상기 반도체층(120)은 p-n접합 구조, 헤테로 구조 또는 탠덤(tandem)구조일 수 있다. 상기 반도체층이 p-n접합 구조일 경우, 상기 반도체층(120)에 조사된 빛으로 인해 전자-정공 쌍이 생성되고, 여기된 전자는 p-n 접합에서 내부 전계에 기인하여 반도체층(120)의 n층을 향해 가속된다. p-n접합에서 정공은 반도체의 p층을 향해 가속된다. 이에 따라, 이들은 각각 광전극 및 상대전극에서 상기 전해질 내에 존재하는 이온과의 반응이 촉진될 수 있다.
상기 반도체층(120)이 헤테로 구조일 경우, 물질들 사이 계면에서 여기자가 더 잘 분리될 수 있어 더 광범위한 파장 영역에서 태양광을 흡수할 수 있다.
또한, 반도체층(120)이 탠덤구조일 경우, 서로 다른 밴드갭을 갖는 물질을 에피성장하는 기술로 형성되어, 태양광의 대부분의 스펙트럼을 효율적으로 사용하는 것이 가능하기 때문에 태양광에 대한 반응효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 광전극(100)은 상기 반도체층(120) 상에 위치하는 그래핀층(130)을 포함한다. 그래핀(Graphene)은 우수한 캐리어 이동도와 높은 투과도, 넓은 비 표면적(high specific surface area)을 가지고 있다. 상기 GaN계 합금을 포함하는 반도체층 상에 그래핀을 증착할 경우, 화학적으로 매우 안정한 그래핀의 특성 때문에 GaN계 합금과 전해질 사이에 위치함으로써 전해질에서의 GaN계 합금의 광부식을 억제하며, 넓은 비 표면적을 가지고 있기 때문에 계면에서의 반응 표면적을 향상시킬 수 있다. 또한, 높은 전도도를 갖기 때문에 계면에서 캐리어들의 이동을 원활하게 하여 계면에서의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 그래핀층은 0.3nm 내지 1.5nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 상기 그래핀층의 두께가 0.3nm 내지 1.5nm의 두께를 가질 때 높은 전기 이동도 및 열전도도를 가지고 최적의 광투과율을 갖는다.
상기 그래핀층의 두께가 0.3nm 미만일 경우, 광부식 억제 효과가 저하될 수 있고, 1.5nm를 초과할 경우, 광투과율이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광전극의 제조방법을 제공한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전극의 제조방법을 나타낸 플로우차트이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 광전극 제조방법은 먼저, 기판(110) 상에 GaN계 합금을 포함하는 반도체층(120)을 형성한다(S1). 이 때, 상기 반도체층(120)은 화학적 기상증착법(MOCVD)을 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 반도체층(120)을 형성하는 단계는 밴드갭 엔지니어링을 이용할 수 있다. 상기 밴드갭 엔지니어링은 원하는 밴드갭을 가진 재료를 적절히 사용하여 밴드갭을 조절하는 것이다. 이 때 주의할 점은 조절된 밴드갭이 반드시 수소 발생에 필요한 전압을 포함하고 있어야 한다는 점이다. 본 발명의 밴드갭 엔지니어링에는 GaN계 합금을 사용할 수 있다. GaN계 합금을 사용하여 밴드갭을 조절에 함에 따라, 넓은 폭의 파장대역을 갖게 되어 더 많은 태양광에 반응할 수 있게 한다. 또한 상기 GaN계 합금은 N-GaN-GaAsN-GaP계 합금이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
이 후, 상기 반도체층 상에 그래핀층(130)을 증착한다(S2). 이 때, 상기 증착 방법으로는 화학적 박리(chemical exfoliation) 또는 화학증기증착법(CVD)을 사용할 수 있다.
화학적 박리 방법의 경우 용매를 기반으로 하는 방법으로써 산화흑연(graphite oxide, GO)의 제조를 통한 박리를 유도하며, 이후 초음파 등을 이용해 수용액 상에 분산된 산화 그래핀을 형성하고, 환원(reductoin)을 통하여 그래핀을 형성한다. 예를 들면, 흑연 → 산화 흑연 → 그래핀 또는 흑연 → 흑연 층간 화합물(Graphene Intercaltaio Compoound) → 그래핀과 같은 식으로 그래핀이 형성될 수 있다. 이렇게 분산된 그래핀 용액은 넓은 면적으로 증착이 가능하고 다른 소재와의 결합이 용이하며, 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 화학증기증착법은 고온에서 탄소와 카바이드 합금을 잘 형성하거나 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매층으로 이용하여 그래핀을 합성하는 방법으로, 저온에서 그래핀의 증착이 가능하고 경제적이며 증착되는 박막의 순도가 높은 장점이 있다.
<상대전극>
상대전극(200)은 조사된 빛에 의해 발생한 여기자의 환원반응을 통해 수소를 생성하게 된다. 상기 상대전극(200)은 광전기화학 셀로부터 전달된 정공 또는 전자가 전해질에 존재하는 OH- 또는 H+와 반응하여 수소를 발생시키게 하는 막으로 각 반응의 과전압을 줄이는 역할을 하고 전해질에 침지되기 때문에 반응의 활성을 향상시키고, 전해질 내에서의 안정성이 높은 물질로 구성된다.
상기 상대전극은 Pt, Pd, Ru, Rh, Ir, CoMo, 및 CoMo 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 수소발생을 위한 환원반응 촉매막으로 Pt, CoMo 합금 등이 사용가능하다.
<전해질>
전해질(300)은 통상의 방법에 따라 H+ 또는 OH- 의 전도도를 높이기 위해 1 내지 5M의 NaOH 또는 KOH 와 같은 무기 강염기 또는 강산 수용액으로 이루어질 수 있다.
정리하면, 본 발명에 따른 광전기화학 셀은 기판상에 위치하는 GaN계 합금을 포함하는 반도체층 및 상기 반도체층 상에 위치하는 그래핀층을 포함하는 광전기화학 셀용 광전극과 상대전극, 및 상기 광전극과 상대전극 사이에 전해질을 구비한다. 이에 따라, 넓은 범위의 파장 대역을 갖게 되어 더 많은 태양광에 반응할 수 있고, 전해질 내에서의 광부식이 억제되며 계면에서의 에너지 변환 효율을 높일 수 있는 광전극 및 광전기화학 셀을 제공할 수 있다.
이상, 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
100 : 광전극 110 : 기판
200 : 상대전극 120 : 반도체층
300 : 전해질 130 : 그래핀층

Claims (17)

  1. 기판 상에 위치하는 GaN계 합금을 포함하는 반도체층; 및
    상기 반도체층 상에 위치하는 그래핀층을 포함하는 광전기화학 셀용 광전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 GaN계 합금은 InN-GaN계 합금, AlN-GaN계 합금, GaAsN-GaN계 합금, GaP-GaN계 합금, InGaN-GaN계 합금, AlGaN-GaN계 합금, 및 InAlGaN-GaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 광전기화학 셀용 광전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 GaN계 합금은 InN-GaN-AlN계 합금, InN-GaN-GaAsN계 합금, InN-GaN-GaP계 합금, InN-GaN-InGaN계 합금, InN-GaN-AlGaN계 합금, InN-GaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN계 합금, AlN-GaN-GaP계 합금, AlN-GaN-InGaN계 합금, AlN-GaN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP계 합금, GaAsN-GaN-InGaN계 합금, GaAsN-GaN-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InAlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN계 합금, GaP-GaN-AlGaN계 합금, GaP-GaN-InAlGaN계 합금, InGaN-GaN-AlGaN계 합금, InGaN-GaN-InAlGaN계 합금, AlGaN-GaN-InAlGaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 광전기화학 셀용 광전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 GaN계 합금은 InN-GaN-AlN-GaAsN계 합금, InN-GaN-AlN-GaP계 합금, InN-GaN-AlN-InGaN계 합금, InN-GaN-AlN-AlGaN계 합금, InN-GaN-AlN-InAlGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, InN-GaN-GaAsN-InGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-AlGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-InAlGaN계 합금, InN-GaN-GaP-InGaN계 합금, InN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, InN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, InN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, InN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, AlN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, AlN-GaN-GaAsN-InGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-InGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-InGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, InGaN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 광전기화학 셀용 광전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반도체층은 p-n접합 구조, 헤테로 구조 또는 탠덤(tandem)구조인 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀용 광전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀층은 0.3nm 내지 1.5nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀용 광전극.
  7. 기판 상에 GaN계 합금을 포함하는 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 질화물 반도체층의 표면상에 그래핀을 증착시키는 단계를 포함하는 광전기화학 셀용 광전극의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 GaN계 합금은 InN-GaN계 합금, AlN-GaN계 합금, GaAsN-GaN계 합금, GaP-GaN계 합금, InGaN-GaN계 합금, AlGaN-GaN계 합금, 및 InAlGaN-GaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 광전기화학 셀용 광전극의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 GaN계 합금은 InN-GaN-AlN계 합금, InN-GaN-GaAsN계 합금, InN-GaN-GaP계 합금, InN-GaN-InGaN계 합금, InN-GaN-AlGaN계 합금, InN-GaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN계 합금, AlN-GaN-GaP계 합금, AlN-GaN-InGaN계 합금, AlN-GaN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP계 합금, GaAsN-GaN-InGaN계 합금, GaAsN-GaN-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InAlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN계 합금, GaP-GaN-AlGaN계 합금, GaP-GaN-InAlGaN계 합금, InGaN-GaN-AlGaN계 합금, InGaN-GaN-InAlGaN계 합금, AlGaN-GaN-InAlGaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 광전기화학 셀용 광전극의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 GaN계 합금은 InN-GaN-AlN-GaAsN계 합금, InN-GaN-AlN-GaP계 합금, InN-GaN-AlN-InGaN계 합금, InN-GaN-AlN-AlGaN계 합금, InN-GaN-AlN-InAlGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, InN-GaN-GaAsN-InGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-AlGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-InAlGaN계 합금, InN-GaN-GaP-InGaN계 합금, InN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, InN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, InN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, InN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, AlN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, AlN-GaN-GaAsN-InGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-InGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-InGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, InGaN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 광전기화학 셀용 광전극의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 그래핀층을 증착시키는 단계는, 화학적 박리 또는 화학증기증착법을 사용하는 광전기화학 셀용 광전극의 제조방법.
  12. 기판 상에 위치하는 GaN계 합금을 포함하는 반도체층 및 상기 반도체층 상에 위치하는 그래핀층을 포함하는 광전기화학 셀용 광전극;
    상대전극; 및
    상기 광전극과 상대전극 사이에 전해질을 포함하는 광전기화학 셀.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 GaN계 합금은 InN-GaN계 합금, AlN-GaN계 합금, GaAsN-GaN계 합금, GaP-GaN계 합금, InGaN-GaN계 합금, AlGaN-GaN계 합금, 및 InAlGaN-GaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 광전기화학 셀.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 GaN계 합금은 InN-GaN-AlN계 합금, InN-GaN-GaAsN계 합금, InN-GaN-GaP계 합금, InN-GaN-InGaN계 합금, InN-GaN-AlGaN계 합금, InN-GaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN계 합금, AlN-GaN-GaP계 합금, AlN-GaN-InGaN계 합금, AlN-GaN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP계 합금, GaAsN-GaN-InGaN계 합금, GaAsN-GaN-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InAlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN계 합금, GaP-GaN-AlGaN계 합금, GaP-GaN-InAlGaN계 합금, InGaN-GaN-AlGaN계 합금, InGaN-GaN-InAlGaN계 합금, AlGaN-GaN-InAlGaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 광전기화학 셀.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 GaN계 합금은 InN-GaN-AlN-GaAsN계 합금, InN-GaN-AlN-GaP계 합금, InN-GaN-AlN-InGaN계 합금, InN-GaN-AlN-AlGaN계 합금, InN-GaN-AlN-InAlGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, InN-GaN-GaAsN-InGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-AlGaN계 합금, InN-GaN-GaAsN-InAlGaN계 합금, InN-GaN-GaP-InGaN계 합금, InN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, InN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, InN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, InN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, AlN-GaN-GaAsN-GaP계 합금, AlN-GaN-GaAsN-InGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-GaAsN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-InGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, AlN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, AlN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, AlN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-InGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-GaP-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, GaAsN-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, GaAsN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN-AlGaN계 합금, GaP-GaN-InGaN-InAlGaN계 합금, InGaN-GaN-AlGaN-InAlGaN계 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 광전기화학 셀.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 반도체층은 p-n접합 구조, 헤테로 구조 또는 탠덤구조인 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 그래핀층은 0.3nm 내지 1.5nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광전기화학 셀.
KR20130112041A 2013-09-17 2013-09-17 광전극과 그 제조방법 및 이를 이용한 광전기화학 셀 KR20150032433A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20130112041A KR20150032433A (ko) 2013-09-17 2013-09-17 광전극과 그 제조방법 및 이를 이용한 광전기화학 셀

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20130112041A KR20150032433A (ko) 2013-09-17 2013-09-17 광전극과 그 제조방법 및 이를 이용한 광전기화학 셀

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20150032433A true KR20150032433A (ko) 2015-03-26

Family

ID=53025571

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20130112041A KR20150032433A (ko) 2013-09-17 2013-09-17 광전극과 그 제조방법 및 이를 이용한 광전기화학 셀

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20150032433A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116815233A (zh) * 2023-06-07 2023-09-29 华南理工大学 一种rGO修饰的InGaN纳米柱光电极材料及其制备方法与应用

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116815233A (zh) * 2023-06-07 2023-09-29 华南理工大学 一种rGO修饰的InGaN纳米柱光电极材料及其制备方法与应用
CN116815233B (zh) * 2023-06-07 2024-10-15 华南理工大学 一种rGO修饰的InGaN纳米柱光电极材料及其制备方法与应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hassan et al. High-performance ZnS/GaN heterostructure photoanode for photoelectrochemical water splitting applications
Hayashi et al. High stability and efficiency of GaN photocatalyst for hydrogen generation from water
Cheng et al. Strategies for improving photoelectrochemical water splitting performance of Si‐based electrodes
JP5830527B2 (ja) 半導体素子、水素製造システム、並びにメタンまたはメタノール製造システム
US9551077B2 (en) Photoelectrode used for carbon dioxide reduction and method for reducing carbon dioxide using the photoelectrode
US20170253978A1 (en) Photoelectrode, method for manufacturing same, and photoelectrochemical cell
JP6474000B2 (ja) 二酸化炭素の還元方法、及び二酸化炭素の還元装置
JP7367167B2 (ja) 酸素生成用透明電極、その製造方法、それを備えたタンデム型水分解反応電極、及びそれを用いた酸素発生装置
WO2014006864A1 (ja) アルコールを生成する方法
Navid et al. On the design and performance of InGaN/Si double-junction photocathodes
JP2014227563A (ja) 二酸化炭素還元用光化学電極、二酸化炭素還元装置、及び二酸化炭素の還元方法
JP6631467B2 (ja) 二酸化炭素還元装置
US20230407498A1 (en) Water splitting device protection
KR20150032433A (ko) 광전극과 그 제조방법 및 이를 이용한 광전기화학 셀
Lin et al. A promising InGaAsN photoanode protected by multifunctional GaN nanocrystal for efficient photoelectrochemical water splitting
Gao et al. Recent progress in gallium nitride for photoelectrochemical water splitting
Raghu et al. Ceramic Materials for Photocatalytic/Photoelectrochemical Fuel Generation
Gupta et al. 2 D‐Materials‐based Heterostructures for PEC Energy Conversion
KR20200054769A (ko) 파장 선택형 광전기화학적 수소 생산 시스템
KR102671960B1 (ko) 광대역 밴드갭을 갖는 광전기화학 광전극 소자 및 그를 포함하는 수소 발생 장치
JP2017150031A (ja) 高変換効率ＳｉＣ光電極およびそれを用いた水素製造装置
WO2023042476A1 (ja) アノード光電極、アノード光電極の製造方法および水素製造設備
WO2023238387A1 (ja) 窒化物半導体光電極およびその製造方法
KR102027768B1 (ko) 해수 분해 전극, 그 제조 방법 및 해수 분해 장치
Jiao et al. Effective Charge Transfer Regulation for Robust Photoelectrochemical Water Splitting

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application