KR20180022606A - Photoelectrochemical cell and manufacturing method thereof, water electrolysis system and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

Disclosed is a photoelectrochemical cell which comprises: a plurality of optical electrodes dipped in an electrolyte; and a counter electrode dipped in the electrolyte. The plurality of optical electrodes are electrically connected to the counter electrode.

Description

광전지화학 셀 및 그 제조방법, 물 전기분해 시스템 및 그 제조방법{PHOTOELECTROCHEMICAL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF, WATER ELECTROLYSIS SYSTEM AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a photovoltaic cell, a photovoltaic cell, a manufacturing method thereof, a water electrolysis system, and a method of manufacturing the same. BACKGROUND ART [

금속 산화물 반도체를 이용한 광전지화학 셀 및 물 전기분해 시스템에 관한 것이다.A photovoltaic cell using a metal oxide semiconductor, and a water electrolysis system.

금속 산화물 반도체의 장점은 일반적으로 수용액에서의 양호한 안정성, 저비용 및 스케일업이 용이한 용액 기반 공정에 있으며, 대부분의 금속 산화물은 범용 원소(earth-abundant elements)로 구성되어 있다.The advantages of metal oxide semiconductors are in solution-based processes, which are generally good stability in aqueous solutions, low cost and easy scale-up, and most metal oxides are composed of earth-abundant elements.

금속 산화물 반도체는 수용액에서의 견고성 및 저비용으로 인하여 유망한 태양광 물 분해용 광전극 물질이다. 그러나 금속 산화물의 전기 특성은 광전기화학(photoelectrochemical, PEC) 물 분리에 있어서 태양광-수소 전환 효율(solar-to-hydrogen conversion efficiencies, ηSTH)이 아직까지 높지 않다.The metal oxide semiconductor is a promising photoelectrode material for decomposing sunlight due to its robustness and low cost in an aqueous solution. However, the electrical properties of metal oxides are not as high as solar-to-hydrogen conversion efficiencies (η STH ) in photoelectrochemical (PEC) water separation.

최근의 BiVO4에 대한 광범위한 연구는 90%까지의 상당히 높은 입사 광자-전류 효율(photon-to-current efficiencies, IPCE)을 나타내나 다소 큰 밴드갭으로 인하여 510nm 이하의 파장에서 광자만을 이용한다.Recent research on BiVO 4 shows significantly higher photon-to-current efficiencies (IPCE) of up to 90%, but only uses photons at wavelengths below 510 nm due to rather large band gaps.

반대로 Fe2O3는 2.0eV 이하의 거의 이상적인 작은 밴드갭을 가지며, 620nm까지의 긴 파장의 광자를 이용할 수 있다. 그러나 Fe2O3의 ηSTH는 아주 열악한 전기 특성 때문에 낮은 상태로 존재한다. 따라서 이들 두 반도체를 결합함으로써 태양광 스펙트럼의 상이한 부분들을 활용할 수 있다.Conversely, Fe 2 O 3 has a nearly ideal small bandgap of less than 2.0 eV and can utilize long wavelength photons up to 620 nm. However, η STH of Fe 2 O 3 exists in a low state due to its poor electrical properties. Thus, by combining these two semiconductors, different parts of the solar spectrum can be utilized.

효율적인 광흡수를 위하여 상이한 밴드갭을 활용하는 가장 공통적인 방법은 이종접합(heterojunction)을 형성하는 것인데 BiVO4(상층)와 Fe2O3(하층)을 결합하여 이중층 타입의 이종접합을 형성하는 경우, 이중층 타입의 광전극은 단일의 광전극보다 열등한 PEC 물 산화 성능을 나타낸다.The most common way to utilize different bandgaps for efficient light absorption is to form heterojunctions, where BiVO 4 (upper layer) and Fe 2 O 3 (lower layer) are combined to form a bilayer type heterojunction , The double layer type photoelectrode exhibits PEC water oxidation performance inferior to that of a single photo electrode.

이는 BiVO4/Fe2O3 접합이 BiVO4/WO3 접합의 바람직한 스태거링(staggering, 타입II) 밴드갭 대신에 스트래들링(straddling, 타입I) 밴드 정렬을 갖기 때문이다. 이러한 밴드 정렬은 Fe2O3에서 생성된 홀이 BiVO4에 전달되는 것을 방지하여 효과적인 전하 분리에 적합하지 않다. 또한, BiVO4에서 생성된 광전자는 열악한 전기 특성을 갖는 Fe2O3을 거쳐 F가 도핑된 SnO2 유리(F-doped SnO2 glass, FTO)에 도달한다.This is because BiVO 4 / Fe 2 O 3 junctions have straddling (Type I) band alignment instead of the preferred staggering (Type II) band gap of BiVO 4 / WO 3 junctions. These band alignments prevent holes generated in Fe 2 O 3 from being transferred to BiVO 4 and are therefore not suitable for effective charge separation. In addition, the photoelectron generated in the BiVO 4 is through the Fe 2 O 3 having a poor electrical properties and reaches the F-doped SnO 2 glass (F-doped SnO 2 glass, FTO).

금속 산화물의 ηSTH을 증가시키기 위한 새로운 방법, 즉 확장된 광수확을 위하여 상이한 밴드갭을 갖는 복수의 광전극을 병렬로 연결한 천연 해조류-모사의 광전지화학 셀 및 물 전기분해 시스템을 제공하기로 한다.A new method for increasing η STH of metal oxides is provided, namely, a photoalogical cell and a water electrolysis system of natural seaweed-simulated in which a plurality of photoelectrodes having different band gaps are connected in parallel for extended light harvesting do.

본 발명에 따른 광전기화학 셀은 전해질에 침지된 복수의 광전극; 및 상기 전해질에 침지된 상대전극;을 포함하며, 상기 복수의 광전극은 상기 상대전극과 전기적으로 병렬 연결된다.A photoelectrochemical cell according to the present invention includes: a plurality of photoelectrodes immersed in an electrolyte; And a counter electrode immersed in the electrolyte, wherein the plurality of photoelectrodes are electrically connected in parallel with the counter electrode.

상기 복수의 광전극은, 각각 반도체를 포함하며, 빛이 조사되는 방향을 기준으로, 전방부터 상기 반도체의 밴드갭 에너지가 큰 광전극 순서로 배치될 수 있다.The plurality of photoelectrons may include a semiconductor and may be arranged in the order of the photoelectrode having a bandgap energy of the semiconductor from the front side with respect to a direction in which the light is irradiated.

상기 복수의 광전극은, 각각 반도체를 포함하며, 모두 n type 반도체로 이루어진 조합 또는 모두 p type 반도체로 이루어진 조합으로 구성될 수 있다.The plurality of photoelectrodes may each include a semiconductor, and may be a combination of n type semiconductors or a combination of both p type semiconductors.

상기 광전극은, 제1광전극; 및 상기 제1광전극보다 장파장의 빛을 흡수하는 제2광전극;을 포함하며, 상기 상대전극 방향으로부터 조사된 빛이 순차적으로 상기 제1광전극 및 제2광전극에 흡수될 수 있다.The optical electrode includes a first optical electrode; And a second photoelectrode that absorbs light having a wavelength longer than that of the first photoelectrode. Light emitted from the counter electrode may be sequentially absorbed by the first photoelectrode and the second photoelectrode.

상기 제1광전극은, 제1전도성 기판; 및 상기 제1전도성 기판 상에 위치하는 제1광흡수층;을 포함하며, 상기 제1광흡수층은, SiO2, TiO2, WO3, Fe2O3, SnO2, ZnO, ZrO2, In2O3, MoS2, BiVO4, SrTiO3, CaTiO3 및 KTaO3 중에서 선택되는 하나 이상의 반도체를 포함할 수 있다.The first optical electrode includes a first conductive substrate; And the first light-absorbing layer disposed on the first conductive substrate, said first light absorption layer, and includes silver, SiO 2, TiO 2, WO 3, Fe 2 O 3, SnO 2, ZnO, ZrO 2, In 2 O 3 , MoS 2 , BiVO 4 , SrTiO 3 , CaTiO 3 and KTaO 3 .

상기 제1전도성 기판은 FTO로 구성되고, 상기 제1광흡수층은 BiVO4를 포함할 수 있다.The first conductive substrate may be made of FTO, and the first light absorbing layer may include BiVO 4 .

상기 BiVO4는 Mo로 도핑되되, Bi:(V+MO)의 원자비가 1:0.8 내지 1:1.2가 되도록 Mo이 도핑될 수 있다.The BiVO 4 may be doped with Mo and doped with Mo such that the atomic ratio of Bi: (V + MO) is 1: 0.8 to 1: 1.2.

상기 제1광전극은, 상기 제1광흡수층 상에 위치하는 제1조효소층;을 더 포함하며, 상기 제1조효소층은, FeOOH 및 NiOOH을 포함할 수 있다.The first photoelectrode further includes a first coenzyme layer positioned on the first light absorbing layer, and the first coenzyme layer may include FeOOH and NiOOH.

상기 제2광전극은, 제2전도성 기판; 상기 제2전도성 기판 상에 위치하는 제2광흡수층;을 포함하며, 상기 제2광흡수층은, SiO2, TiO2, WO3, Fe2O3, SnO2, ZnO, ZrO2, In2O3, MoS2, BiVO4, SrTiO3, CaTiO3 및 KTaO3 중에서 선택되는 하나 이상의 반도체를 포함할 수 있다.Wherein the second optical electrode comprises: a second conductive substrate; The second light absorption layer disposed on the second conductive substrate, said second light absorption layer, and includes silver, SiO 2, TiO 2, WO 3, Fe 2 O 3, SnO 2, ZnO, ZrO 2, In 2 O 3 , MoS 2 , BiVO 4 , SrTiO 3 , CaTiO 3 and KTaO 3 .

상기 제2전도성 기판은 FTO로 구성되고, 상기 제2광흡수층은 Fe2O3을 포함할 수 있다.The second conductive substrate may be made of FTO, and the second light absorbing layer may include Fe 2 O 3 .

상기 Fe2O3은 Ti로 도핑되되, Fe:Ti의 원자비가 1:0.003 내지 1:0.007이 되도록 Ti가 도핑될 수 있다.The Fe 2 O 3 may be doped with Ti such that the atomic ratio of Fe: Ti is 1: 0.003 to 1: 0.007.

상기 제2광전극은, 상기 제2광흡수층 상에 위치하며, TiO2를 포함하는 표면처리층;을 더 포함할 수 있다.The second light electrode may further include a surface treatment layer located on the second light absorption layer and including TiO 2 .

상기 제2광전극은, 상기 표면처리층 상에 위치하는 제2조효소층을 더 포함하며, 상기 제2조효소층은, NiFeOx, Ni2FeOx 및 Ni3FeOx 중에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다.Wherein the second photoelectrode further comprises a second coenzyme layer positioned on the surface treatment layer and the second coenzyme layer comprises at least one compound selected from NiFeO x , Ni 2 FeO x and Ni 3 FeO x .

상기 전해질은 pH 9 내지 10의 중탄산 칼륨 수용액일 수 있다.The electrolyte may be a potassium bicarbonate aqueous solution having a pH of 9 to 10.

본 발명에 따른 광전기화학 셀 제조방법은 복수의 광전극을 준비하는 단계; 상대전극을 준비하는 단계; 및 상기 복수의 광전극 및 상대전극을 전해질에 침지시키고, 상기 복수의 광전극을 상기 상대전극과 전기적으로 병렬 연결하는 단계;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a photoelectrochemical cell, comprising: preparing a plurality of photoelectrodes; Preparing a counter electrode; And immersing the plurality of photoelectrodes and the counter electrode in an electrolyte, and electrically connecting the plurality of photoelectrons to the counter electrode electrically in parallel.

상기 복수의 광전극을 준비하는 단계는, 제1전도성 기판 상에 제1광흡수층을 위치시켜 제1광전극을 준비하는 단계; 및 제2전도성 기판 상에 제2광흡수층을 위치시켜 제2광전극을 준비하는 단계;를 포함할 수 있다.Preparing the plurality of photoelectrodes includes: preparing a first photoelectrode by positioning a first photoabsorption layer on a first conductive substrate; And preparing a second optical electrode by positioning a second light absorbing layer on the second conductive substrate.

상기 제1광전극을 준비하는 단계는, 비스무스 원료물질, 바나듐 원료물질, 몰리브덴 원료물질 및 제1용매를 혼합하여 제1전구체 용액을 제조하는 과정; 및 상기 제1전구체 용액을 FTO로 구성되는 상기 제1전도성 기판 상에 적하하고, 건조 및 열처리하여 제1광흡수층을 형성시키는 과정;을 포함할 수 있다.The step of preparing the first photoelectrode includes the steps of: preparing a first precursor solution by mixing a bismuth raw material, a vanadium raw material, a molybdenum raw material, and a first solvent; And dropping the first precursor solution on the first conductive substrate composed of FTO, and drying and heat-treating the first precursor solution to form a first light absorbing layer.

상기 제1광흡수층을 형성시키는 과정에서는, 상기 제1전도성 기판 상에 적하하는 상기 제1전구체 용액의 부피는 10㎕ 초과, 80㎕ 미만일 수 있다.In the process of forming the first light absorbing layer, the volume of the first precursor solution dropped on the first conductive substrate may be more than 10 쨉 l and less than 80 쨉 l.

상기 제1광흡수층을 형성시키는 과정 이후에는, 수소화붕소 분해 방법을 이용하여 상기 제1광흡수층을 환원 처리하는 과정;을 더 포함할 수 있다.After the step of forming the first light absorbing layer, a process of reducing the first light absorbing layer using a borohydride decomposition method may be further included.

상기 제1광흡수층을 형성시키는 과정 이후에는, 황산화철 용액 및 황산화니켈 용액을 상기 제1광흡수층 상에 증착하여 FeOOH 및 NiOOH을 포함하는 제1조효소층을 형성시키는 과정;을 더 포함할 수 있다.And a step of forming a first coenzyme layer containing FeOOH and NiOOH by depositing a solution of a ferrous iron oxide solution and a solution of nickel sulfate in the first light absorbing layer after forming the first light absorbing layer have.

상기 제2광전극을 준비하는 단계는, 철 원료물질, 티타늄 원료물질, 폴리머 바인더 및 제2용매를 혼합하여 제2전구체 용액을 제조하는 과정; 및 상기 제2전구체 용액을 FTO로 구성되는 상기 제2전도성 기판 상에 적하하고, 건조 및 열처리하여 제2광흡수층을 형성시키는 과정;을 포함할 수 있다.Preparing the second photoelectrode comprises: preparing a second precursor solution by mixing an iron source material, a titanium source material, a polymer binder, and a second solvent; And dropping the second precursor solution onto the second conductive substrate formed of FTO, and drying and heat-treating the second precursor solution to form a second light absorbing layer.

상기 제2광흡수층을 형성시키는 과정 이후에는, 수소화붕소 분해 방법을 이용하여 상기 제2광흡수층을 환원 처리하는 과정;을 더 포함할 수 있다.After the step of forming the second light absorbing layer, a process of reducing the second light absorbing layer using a borohydride decomposition method may be further included.

상기 제2광흡수층을 형성시키는 과정 이후에는, 산화 티타늄 원료물질 및 제3용매를 혼합하여 코팅액을 제조하는 과정; 및 상기 코팅액을 상기 제2광흡수층 상에 코팅하고, 열처리하여 표면처리층을 형성시키는 과정;을 더 포함할 수 있다.After the process of forming the second light absorbing layer, a process of preparing a coating liquid by mixing a titanium oxide raw material and a third solvent; And coating the coating solution on the second light absorption layer and forming a surface treatment layer by heat treatment.

상기 표면처리층을 형성시키는 과정 이후에는, 질산화니켈, 질산화철 및 제4용매를 혼합하여 혼합액을 제조하는 과정; 및 상기 혼합액을 상기 표면처리층 상에 적하하고, 건조 및 열처리하여 제2조효소층을 형성시키는 과정;을 더 포함할 수 있다.After the process of forming the surface treatment layer, a process of preparing a mixed solution by mixing nickel nitrate, nitrate oxide and a fourth solvent; And a step of dripping the mixed solution onto the surface treatment layer, followed by drying and heat treatment to form a second coenzyme layer.

본 발명에 따른 물 전기분해 시스템은 전해질에 침지된 복수의 광전극; 상기 전해질에 침지된 상대전극; 및 태양전지;를 포함하며, 상기 복수의 광전극은 상기 태양전지의 제1전극과 전기적으로 병렬 연결되고, 상기 상대전극은 상기 태양전지의 제2전극과 전기적으로 연결된다.A water electrolysis system according to the present invention includes: a plurality of photoelectrodes immersed in an electrolyte; A counter electrode immersed in the electrolyte; And a solar cell, wherein the plurality of photoelectrodes are electrically connected in parallel with the first electrode of the solar cell, and the counter electrode is electrically connected to the second electrode of the solar cell.

상기 복수의 광전극은, 빛이 조사되는 방향을 기준으로, 전방부터 밴드갭 에너지가 큰 순서로 배치될 수 있다.The plurality of photoelectrodes may be arranged in the order of increasing band gap energy from the front with reference to the direction in which the light is irradiated.

상기 복수의 광전극은, 제1광전극; 및 상기 제1광전극보다 장파장의 빛을 흡수하는 제2광전극;을 포함하며, 상기 제2광전극의 일면에는 상기 제1광전극이 절연 부착되고, 상기 제2광전극의 타면에는 상기 태양전지의 제2극이 절연 부착될 수 있다.The plurality of photoelectrodes may include a first photoelectrode; And a second optical electrode that absorbs light having a wavelength longer than that of the first optical electrode, wherein the first optical electrode is insulated on one surface of the second optical electrode, The second pole of the battery can be insulated.

상기 태양전지는, 실리콘 태양전지, 염료 감응형 태양전지, 화합물 반도체 태양전지 및 적층형 태양전지 중에서 선택될 수 있다.The solar cell may be selected from a silicon solar cell, a dye-sensitized solar cell, a compound semiconductor solar cell, and a laminated solar cell.

본 발명에 따른 물 전기분해 시스템 제조방법은 복수의 광전극을 준비하는 단계; 상대전극을 준비하는 단계; 및 상기 복수의 광전극 및 상대전극을 전해질에 침지시키고, 상기 복수의 광전극을 태양전지의 제1전극과 전기적으로 병렬 연결하고, 상기 상대전극을 상기 태양전지의 제2전극과 전기적으로 연결하는 단계;를 포함한다.A method of manufacturing a water electrolysis system according to the present invention includes: preparing a plurality of photoelectrodes; Preparing a counter electrode; And a step of immersing the plurality of photoelectrodes and the counter electrode in an electrolyte, electrically connecting the plurality of photoelectrons to the first electrode of the solar cell in parallel, and electrically connecting the counter electrode to the second electrode of the solar cell Step.

상기 복수의 광전극을 준비하는 단계는, 제1전도성 기판 상에 제1광흡수층을 위치시켜 제1광전극을 준비하는 단계; 및 제2전도성 기판 상에 제2광흡수층을 위치시켜 제2광전극을 준비하는 단계;를 포함할 수 있다.Preparing the plurality of photoelectrodes includes: preparing a first photoelectrode by positioning a first photoabsorption layer on a first conductive substrate; And preparing a second optical electrode by positioning a second light absorbing layer on the second conductive substrate.

상기 제2광전극을 준비하는 단계 이후에는, 상기 제1전도성 기판과 상기 제2광흡수층을 절연 부착하고, 상기 제2전도성 기판과 상기 제2전극을 절연 부착하는 단계;를 더 포함할 수 있다.And inserting the first conductive substrate and the second light absorbing layer in an insulating state and insulating the second conductive substrate and the second electrode after the step of preparing the second optical electrode .

본 발명에 따른 광전지화학셀은 상대전극과 전기적으로 병렬 연결된 복수의 광전극을 이용함으로써 1.23VRHE에서 7.0±0.2mA/cm2의 물 산화 광전류 밀도를 얻을 수 있다.The photochemical cell according to the present invention can obtain a water oxidation photocurrent density of 7.0 ± 0.2 mA / cm 2 at 1.23 V RHE by using a plurality of photoelectrodes electrically connected in parallel with the counter electrode.

본 발명에 따른 물 전기분해 시스템은 태양전지 및 태양전지와 병렬 연결된 복수의 광전극을 이용함으로서 7.7%의 ηSTH가 가능하다.The water electrolysis system according to the present invention can use η STH of 7.7% by using a plurality of photoelectrodes connected in parallel with a solar cell and a solar cell.

도 1은 이중층 타입의 이종접합 광양극의 I-V 곡선을 나타낸 그래프이다.
(a) 1% Mo:BiVO4(상부)/0.5% Ti:Fe2O3, (b) 1% Mo:BiVO4(top)/WO3 이종접합 광양극으로서 점선은 후면 조명으로 측정된 I-V 곡선이고, 실선은 전면 조명에 의한 것이다(측정 조건: AM 1.5G 필터링 또는 100mW/cm2, 0.5M KPi + 0.5M Na2SO3, 주사율: 20mV/sec, 전방향 주사). (c) WO3, Fe2O3 및 BiVO4 대역 정렬이다.
도 2는 주사 전자 현미경 사진이다.
(a) 1% Mo-도핑된 BiVO4 (1% Mo:BiVO4), (b) 수소 처리된 1% Mo:BiVO4 (H, 1% Mo:BiVO4)이다. (c) NiOOH/FeOOH/H, 1% Mo:BiVO4이고, (d) FTO 상의 H, 1% Mo:BiVO4 광양극의 단면 이미지이다. 평균 막 두께는 약 300nm이고 모든 스케일 바는 500 nm이다.
도 3은 주사 전자 현미경 사진이다.
(a,b) 0.5% Ti-도핑된 Fe2O3 (0.5% Ti:Fe2O3), (c,d) 수소 처리된 0.5% Ti:Fe2O3 (H, 0.5% Ti: Fe2O3), (e,f) H, TiO2/0.5% Ti: Fe2O3, (g,h) Ni2FeOx/H, TiO2/0.5% Ti: Fe2O3이다.
(a,c,e,g)의 스케일 바는 200nm이고, (b,d,f,h)의 스케일 바는 100 nm이다. (e)의 삽입 이미지는 약 400 내지 500nm의 두께를 갖는 FTO 상의 H, TiO2 /0.5% Ti: Fe2O3의 단면 이미지이다.
도 4는 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
(a) BiVO4계 광양극, (b-c) Fe2O3계 광양극, T는 FTO 패턴을 나타낸다(F-도핑된 산화 주석).
도 5는 X-선 광전자 스펙트럼(X-ray photoelectron spectra, XPS)을 나타낸 것이다.
(a) Bi 4f, (b) V 2p, (c) 1% Mo:BiVO4 및 H, 1% Mo:BiVO4의 Mo 3d, (d) Fe 3d, (e) 0.5% Ti: Fe2O3, H, 0.5% Ti: Fe2O3, TiO2/0.5% Ti: Fe2O3and H, TiO2/0.5% Ti: Fe2O3의 Ti 2p, (f) Fe 3d, (g) Ni 2p, (h, i) Ni2FeOx/H, TiO2/0.5% Ti: Fe2O3 및 NiOOH/FeOOH/H, 1% Mo:BiVO4의 O 1s(모든 피크 세기는 정규화되어 있다).
도 6은 아황산 희생 시약에서 광양극의 I-V 곡선이다.
(a) BiVO4계 광양극, (b) Fe2O3계 광양극, (c,d) 물질의 Jabs 값으로 계산된 벌크 분리 효율이다. 측정 조건: AM 1.5G (100mW/cm2), 0.5 M KPi + 0.5 M Na2SO3, pH 7.0, 주사율 20 mV/sec이며, 물질 옆의 F 및 B는 각각 전면 및 후면 조명을 나타낸다.
도 7은 (a) Fe2O3 광양극에서 정상-상태 전류-전위(I-V) 거동, (b) 입사 광-대-전류 효율(incident light-to-current conversion efficiency, IPCE), (c) 베어 Fe2O3, 0.5% Ti: Fe2O3 및 H, 0.5% Ti: Fe2O3의 정규화된 IPCE(0.5 M KPi 및 0.5 M Na2SO3, pH = 7.0)를 각각 나타낸다.
도 8은 조효소 없는 광양극의 I-V 곡선(a, b) 및 Mott-Schottky 플롯, (c, d) BiVO4계 광양극, (e, f) Fe2O3계 광양극, 암흑에서 1.0 MKCi(pH 9.2) 중 측정(진동수: 1000 Hz, 주사율: 20mV/sec)을 각각 나타낸다.
도 9는 천연 탠덤 셀(천연 해조류에 의하여 파장-선택적 태양 광 흡수)과 인공 이종타입 이중 광전극이다.
(a) 해조류 분포, 녹조식물(녹조류), 갈조식물(갈조류), 홍조식물(홍조류), 태양 스펙트럼의 상이한 부분을 흡수하는 바다 깊이에 따른다. (b) 상이한 밴드 갭 물질로 이루어진 이종-타입 이중 광전극(HDP)을 나타낸다.
도 10은 희생 아황산염 용액 내의 BiVO4 및 Fe2O3 이종-타입 이중 광전극(HDP, BiVO4 || Fe2O3) (a) 광양극으로서 HDP BiVO4 || Fe2O3을 갖는 광전기화학 셀의 개략적 작동 원칙 (b) 양호한 투명성을 보이는 제조된 전극의 사진, (c) 정상 상태 I-V 거동, (d) 최상의 광전류 생성을 위한 BiVO4 및 Fe2O3의 최적화, (e) 입사 광자-전류 효율(IPCE), (f) 상이한 광양극에 의한 AM 1.5G 스펙트럼 내 광의 활용으로서 pH 7.0의 0.5M KPi 및 0.5M Na2SO3에서 분석을 실시하였다.
도 11은 다양한 조효소를 이용한 PEC 물 분리에 있어서 광전류 생성 및 인가 바이어스 광자-전류 효율(applied bias photon-to-current efficiency, ABPE): (a,c) H,1% Mo: BiVO4, (b,d) H,TiO2/0.5% Ti: Fe2O3.(전해질:1.0 M KCi, pH = 9.2)을 나타낸다.
도 12는 Fe2O3계 광양극에서 오버층 및 전해질 pH에 의한 표면 패시베이션의 효과를 타나낸다.
(a) 오버층에 의한 표면 상태 및 패시베이션의 효과를 보여주는 도식, (b) 1.0M KPi, pH 7.0, (c) 1.0M KCi, pH 9.2, (d) 1.0M KOH, pH 13.6, (e) Ni2FeOx 촉매화되고 비촉매화된 H, TiO2/0.5% Ti:Fe2O3의 I-V 곡선이다. Vertical line of 적색(1.0M KOH), 청색(1.0M KCi) 및 흑색(1.0M KPi)의 연직선은 전위 스케일의 전환을 갖는 1.23VRHE 의 위치를 나타낸다.
도 13은 FTO 상의 Ni2FeOx, FeOx 및 NiOx 전기촉매에서 전해질의 pH의 효과를 타나낸다.
(a) 1.0 M KOH (pH 13.6) 및 (b) 1.0 M KCi(pH 9.2).
유사한 공정을 전기 촉매 증착에 이용하였다. 따라서 Ni, Fe 및 Ni2Fe 전구체(0.2M, 각 3㎕)를 FTO 유리(0.5cm2) 상에 적하하고, 매연 후드에서 30초동안 건조하였다. 이어서, 분석 전에, 샘플을 1.0M KOH으로 10초 동안 약하게 세정하였다. 전기화학 분석을 위하여 샘플을 직접 사용하였다.(주사율: 20mV/초)
도 14는 (a) BiVO4 및 Fe2O3 광 수확 효율(light harvesting efficiency, LHE), 투과도(T) 및 BiVO4를 통한 투과광으로부터 Fe2O3 흡광도, (b) AM 1.5G 스펙트럼에 상당한 LHE 흡수 광전류(Jabs): BiVO4 (5.08mA/cm2, <516nm), Fe2O3 (10.81mA/cm2, <620nm), BiVO4 후방의 Fe2O3(4.69mA/cm2, <620nm) 및 HDP (BiVO4||Fe2O3) (5.08 mA/cm2, <516nm + 4.69mA/cm2, <620nm = 9.77mA/cm2)에서 BiVO4 및 Fe2O3에서 2.4eV 및 2.0eV의 광 활용 문턱치를 이용하여 계산하였다. 분석에 사용되는 샘플은 각각 H, 1% Mo:BiVO4 및 H, TiO2/0.5% Ti:Fe-2O3이었다. >516 nm에서의 BiVO4의 흡수는 HDP에서 사용할 수 있는 것으로 계산되지 않는다는 것을 주의한다.
도 15는 상이한 로딩량(BiVO4에서 전구체의 양, Fe2O3에서는 층의 수)에서 (a) BiVO4, (b) Fe2O3 의 사진, (c) BiVO4 및 (d) Fe2O3의 광학 성질, (e) 상이한 전구체 양으로 이루어진 BiVO4 에서의 I-V 거동 (아황산 산화, 좌측)과 전면 광 흡수체 하에서 Fe2O3 광양극의 해당 I-V 곡선(우측, filtered에서 나타냄), (f) 상이한 부하 수를 갖는 Fe2O3 광양극의 I-V 곡선(삽입 그래프는 (d)에서 계산된 Jabs 전류임). BiVO4 에서의 지시- H, 1% Mo:BiVO4 및 Fe2O3 - H, 0.5% Ti:Fe2O3 를 사용하였다. 0.5M Na2SO3 + 0.5M KPi, pH 7.0에서 AM 1.5G 조명으로 측정을 실시하였다(100mW/cm2).
도 16은 상이한 증착량을 갖는 (a) BiVO4의 정규화된 LHE, (b) Fe2O3의 정규화된 LHE을 나타낸다. 점선은 곡률교차의 점에서 그려진다. BiVO4에서의 지시- H, 1% Mo:BiVO4 및 Fe2O3 - H, 0.5% Ti:Fe2O3 을 사용하였다.
도 17은 무보조 태양광 물 분리 HDP - PV 탠덤 셀에 관한 것이다.
(a) HDP(BiVO4 || Fe2O3)을 갖는 탠덤 셀 및 평행-연결 Si 태양 전지(2p c-Si)의 개략도, (b) 실제 태양 조건(상세한 것은 보조 비디오 S1) 하에서 작용하는 인공 잎(모놀리식 탠덤 셀), (c) BiVO4, Fe2O3 및 BiVO4 || Fe2O3 광양극과 각 광전극 뒤의 2p c-Si 태양 전지에서의 2-전극 AM 1.5 I-V 곡선, (d) 비편향 물 분리의 안정성(0.0V, 상대 전극), 작은 삽입 그림은 단기간 동안(탠덤 셀에서 유도 시간 동안)에 기록된 데이터를 나타낸다. 광전극은 NiOOH/FeOOH/H, 1% Mo:BiVO4 및 Ni2FeOx/H, TiO2/0.5% Ti:Fe2O3이었다. 모든 데이터는 1.0M KCi, pH 9.2의 전해질에서 수집하였다.
도 18은 시뮬레이션된 1 sun 조건 하에 작동 중인 모놀리식 탠덤 셀 형태의 물 전기분해 시스템을 나타낸 것이다. HDP BiVO4||Fe2O3, 2p c-Si 태양 전지로 구성된다. 측정 조건은 AM 1.5G (100mW/cm2), 1.0 M KCi (pH 9.2), 활성 면적: 5.0 cm2, 상대 전극 면적: 1.0 cm2이다.
도 19는 비편향 광전기화학 셀에서 태양광 물 분리를 나타낸다.
(a) 정상 상태 I-V 거동, (b) 1.23VRHE에서의 IPCE, (c) 안정성 테스트, (d) 1.15VRHE에서 광양극의 PEC 물 분리로부터 가스 발생을 나타내며, 선들은 광전류 생성으로부터의 예측된 값들을 나타낸다. (e) BiVO4의 작용 스펙트럼이다.(모든 데이터는 1 sun 조명 하에서 pH 9.2에서 1.0M KCi의 전해질을 이용하여 얻었다).
도 20은 세단 조명(chopped illumination)을 이용한 I-V 곡선이다.
(a) NiOOH/FeOOH/H, 1% Mo:BiVO4, (b) Ni2FeOx/H, TiO2/0.5% Ti:Fe2O3, (c) HDP (NiOOH/FeOOH/H, 1% Mo:BiVO4|| Ni2FeOx/H, TiO2/0.5% Ti:Fe2O3), (d) 각 광전극의 최상의 결과이다.(전해질: 1.0M KCi, pH 9.2) 분석에 사용된 광전극은 1.23VRHE에서 BiVO4에서는 4.5 내지 5.0mA/cm2, Fe2O3에서는 3.3 내지 4.1mA/cm2 및 HDP에서는 6.5 내지 7.0 mA/cm2이었다.
도 21은 1 sun (AM 1.5G) 하에 광흡수층으로서 BiVO4, Fe2O3 및 BiVO4||Fe2O3 구비한 2p c-Si 태양 전지와 광흡수층을 구비하지 않은 2p c-Si 태양 전지의 I-V 곡선이다. 삽입 표는 0.25 cm2의 활성 면적을 갖는 2p c-Si 태양 전지의 성능 데이터를 포함한다.
도 22는 광양극의 I-V 곡선이다.
(a) 측정용 3-전극 구성, (b) 측정용 2-전극 구성이다.
금속 산화물 막/2 c-Si 태양 전지로 구성된 실제 탠덤 셀의 I-V 곡선을 해당 광전극 (c) NiOOH/FeOOH/H, 1% Mo:BiVO4, (d) Ni2FeOx/H, TiO2/0.5% Ti:Fe2O3, (e) HDP(BiVO4||Fe2O3)과 비교하였다. 측정 조건은 AM 1.5G (100mW/cm2), 1.0M KCi (pH 9.2), 후행 스캔(20mV/sec), 상대 전극 Pt 메쉬, 활성 면적(0.24cm2)이다.
도 23은 금속 산화물 광양극(BiVO4, Fe2O3, WO3 및 BiVO4/WO3 이종접합)의 광전류 보고이다. HDP는 BiVO4||Fe2O3 이종 이중 광전극을 나타내고, 빈 기호는 광전류값을 표준 1.23 VRHE과는 상이한 전위에서 측정하였음을 나타낸다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 물 전기분해 시스템의 모식도를 나타낸 도면이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a graph showing IV curves of a double layer type heterojunction photocathode. FIG.
(a) 1% Mo: BiVO 4 ( top) /0.5% Ti: Fe 2 O 3 , (b) 1% Mo: BiVO 4 (top) / WO 3 as the hetero-junction Gwangyang pole broken line are measured as rear lights IV (1.5 G filtering or 100 mW / cm 2 , 0.5 M KPi + 0.5 M Na 2 SO 3 , injection rate: 20 mV / sec, forward scanning). (c) WO 3 , Fe 2 O 3 and BiVO 4 band alignment.
2 is a scanning electron microscope photograph.
(a) 1% Mo-doped BiVO 4 (1% Mo: BiVO 4 ) and (b) 1% Mo: BiVO 4 (H, 1% Mo: BiVO 4 ) hydrotreated. (c) NiOOH / FeOOH / H , 1% Mo: and BiVO 4, (d) H, 1% Mo on the FTO: BiVO 4 It is a cross-sectional image of Gwangyang pole. The average film thickness is about 300 nm and all scale bars are 500 nm.
3 is a scanning electron micrograph.
(a, b) 0.5% Ti-doped Fe 2 O 3 (0.5% Ti: Fe 2 O 3), (c, d) of hydrotreating 0.5% Ti: Fe 2 O 3 (H, 0.5% Ti: Fe 2 O 3), (e, f) H, TiO 2 / 0.5% Ti: the Fe 2 O 3: Fe 2 O 3, (g, h) N i2 FeO x / H, TiO 2 /0.5% Ti.
the scale bar of (a, c, e, g) is 200 nm and the scale bar of (b, d, f, h) is 100 nm. (e) is a cross-sectional image of H, TiO 2 /0.5% Ti: Fe 2 O 3 on FTO having a thickness of about 400-500 nm.
4 shows an XRD pattern.
(a) BiVO 4 -based Kwangyang pole, (bc) Fe 2 O 3 -based Kwangyang pole, and T indicates FTO pattern (F-doped tin oxide).
Figure 5 shows an X-ray photoelectron spectra (XPS).
(a) Bi 4f, (b ) V 2p, (c) 1% Mo: the BiVO 4 Mo 3d, (d) Fe 3d, (e) 0.5% Ti:: BiVO 4 and H, 1% Mo Fe 2 O 3, H, 0.5% Ti: Fe 2 O 3, TiO 2 /0.5% Ti: Fe 2 O 3 and H, TiO 2 /0.5% Ti: the Fe 2 O 3 Ti 2p, ( f) Fe 3d, (g ) O 2s of Ni 2p, (h, i) Ni 2 FeO x / H, TiO 2 /0.5% Ti: Fe 2 O 3 and NiOOH / FeOOH / H, 1% Mo: BiVO 4 (all peak intensities are normalized have).
Fig. 6 is an IV curve of a gwangyang pole in a sulfite sacrificial reagent.
is the bulk separation efficiency calculated by the J abs value of (a) BiVO 4 -based Kwangyang pole, (b) Fe 2 O 3 -based Kwangyang pole, and (c, d) Measurement conditions: AM 1.5 G (100 mW / cm 2 ), 0.5 M KPi + 0.5 M Na 2 SO 3 , pH 7.0, scanning rate of 20 mV / sec, and F and B beside the material show front and back illumination, respectively.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between (a) the steady-state current-potential (IV) behavior at the Fe 2 O 3 photocathode, (b) the incident light- (0.5 M KPi and 0.5 M Na 2 SO 3 , pH = 7.0) of bare Fe 2 O 3 , 0.5% Ti: Fe 2 O 3 and H, and 0.5% Ti: Fe 2 O 3 , respectively.
Fig. 8 shows the IV curves (a, b) and Mott-Schottky plot of the copper-free gwangyang pole, (c, d) BiVO 4 system gwangyang pole, (e, f) Fe 2 O 3 system gwangyang pole, 1.0 MKCi pH 9.2) (frequency: 1000 Hz, scanning rate: 20 mV / sec).
Figure 9 is a natural tandem cell (wavelength-selective solar absorption by natural seaweed) and an artificial heterogeneous double light electrode.
(a) It depends on the depth of seawater that absorbs different parts of the solar spectrum, algae distribution, algae (algae), algae (brown algae), red flora (red algae) and solar spectrum. (b) a hetero-type dual light electrode (HDP) made of different bandgap materials.
10 is a sacrificial sulfite BiVO 4 and Fe 2 O 3 in the two kinds of solution-type double electrode optical (HDP, BiVO 4 || Fe 2 O 3) (a) a polar Gwangyang HDP BiVO 4 || Photograph of the electrode manufactured showing schematic operation principle (b) a good transparency of the photoelectric cell having a Fe 2 O 3, (e) the incident photon-current efficiency (IPCE), (f) the AM 1.5G spectrum due to the different photon currents, (c) the steady-state IV behavior, (d) the optimization of BiVO 4 and Fe 2 O 3 for best photocurrent generation, Analysis was carried out in 0.5M KPi and 0.5M Na 2 SO 3 at pH 7.0 as the application of light.
11 shows the photocurrent generation and applied bias photon-to-current efficiency (ABPE) in PEC water separation using various coenzyme: (a, c) H, 1% Mo: BiVO 4 , , d) H, TiO 2 /0.5% Ti: Fe 2 O 3 (electrolyte: 1.0 M KCi, pH = 9.2).
Fig. 12 shows the effect of surface passivation by the over layer and electrolyte pH in the Fe 2 O 3 -based glow-poles.
(b) 1.0 M KPi, pH 7.0, (c) 1.0 M KCi, pH 9.2, (d) 1.0 M KOH, pH 13.6, (e) The IV curves of Ni 2 FeO x catalyzed and non-catalyzed H, TiO 2 /0.5% Ti: Fe 2 O 3 . The vertical line of vertical line of red (1.0M KOH), blue (1.0M KCi), and black (1.0M KPi) represents the position of 1.23V RHE with the transition of the potential scale.
Figure 13 shows the effect of electrolyte pH on Ni 2 FeO x , FeO x and NiO x electrocatalysts on FTO.
(a) 1.0 M KOH (pH 13.6) and (b) 1.0 M KCi (pH 9.2).
A similar process was used for electrocatalyst deposition. Thus, Ni, Fe and Ni 2 Fe precursors (0.2 M, 3 μl each) were dropped onto FTO glass (0.5 cm 2 ) and dried in a soot hood for 30 seconds. Then, prior to analysis, the sample was washed gently with 1.0 M KOH for 10 seconds. Samples were directly used for electrochemical analysis (injection rate: 20 mV / sec)
Figure 14 (a) BiVO 4 and Fe 2 O 3 light-harvesting efficiency (light harvesting efficiency, LHE), Fe 2 O 3 the absorbance, (b) AM 1.5G significant to the spectrum from the transmitted light through a transmission (T) and BiVO 4 LHE absorption photocurrent (J abs ): BiVO 4 (5.08 mA / cm 2 , <516 nm), Fe 2 O 3 (10.81 mA / cm 2 , <620 nm), Fe 2 O 3 behind BiVO 4 (4.69 mA / cm 2 , <620nm) and HDP (BiVO 4 || Fe 2 O 3) (5.08 mA / cm 2, <516nm + 4.69mA / cm 2, at <620nm = 9.77mA / cm 2) BiVO 4 and Fe 2 O 3 in the 2.4eV and 2.0eV light utilization thresholds. The samples used for the analysis were H, 1% Mo: BiVO 4 and H, TiO 2 /0.5% Ti: Fe- 2 O 3 , respectively. Note that the absorption of BiVO 4 at 516 nm is not calculated to be available for HDP.
15 is different from the loading amount (the amount of precursor in the BiVO 4, Fe 2 O 3 in the In from (a) BiVO 4, (b ) Fe 2 O 3 picture, (c), BiVO 4, and (d) Fe 2 O 3 optical properties, (e) BiVO 4 composed of different precursors both of the number of layers) IV behavior (sulfur oxide, on the left) and under the front light absorber (shown on the right, filtered), the corresponding IV curve of Fe 2 O 3 Gwangyang electrode, (f), different from Fe 2 O 3 of Gwangyang pole IV curve in the load number (inserted The graph is the Jabs current calculated in (d)). In BiVO 4 , the indication-H, 1% Mo: BiVO 4 and Fe 2 O 3 -H and 0.5% Ti: Fe 2 O 3 were used. 0.5 M Na 2 SO 3 + 0.5 M KPi, pH 7.0 at AM 1.5G illumination (100 mW / cm 2 ).
Figure 16 shows (a) normalized LHE of BiVO 4 and (b) normalized LHE of Fe 2 O 3 with different deposition amounts. The dotted line is drawn at the point of curvature intersection. Instruction - H in BiVO 4 , 1% Mo: BiVO 4 and Fe 2 O 3 - H, and 0.5% Ti: Fe 2 O 3 were used.
Figure 17 relates to an assisted solar water separation HDP-PV tandem cell.
(a) a schematic view of a tandem cell with HDP (BiVO 4 Fe Fe 2 O 3 ) and a parallel-connected Si solar cell (2p c-Si), (b) Artificial leaves (monolithic tandem cell), (c) BiVO 4 , Fe 2 O 3 and BiVO 4 || Electrode AM 1.5 IV curve in a 2p c-Si solar cell after the Fe 2 O 3 photocathode and each photo-electrode, (d) the stability of the separation of the non-deflected material (0.0V, counter electrode) (During the induction time in the tandem cell). Photoelectrode is NiOOH / FeOOH / H, 1% Mo: was Fe 2 O 3: BiVO 4 and Ni 2 FeO x / H, TiO 2 /0.5% Ti. All data were collected in an electrolyte of 1.0 M KCi, pH 9.2.
Figure 18 shows a water electrolysis system in the form of a monolithic tandem cell in operation under simulated 1 sun conditions. HDP BiVO 4, Fe 2 O 3 , and 2p c-Si solar cells. The measurement conditions are AM 1.5G (100 mW / cm 2 ), 1.0 M KCi (pH 9.2), active area: 5.0 cm 2 , and counter electrode area: 1.0 cm 2 .
19 shows solar water separation in a non-deflecting photoelectrochemical cell.
(a) steady state IV behavior, (b) IPCE at 1.23V RHE , (c) stability test, and (d) gas evolution from PEC water separation of the Gwangyang Pole at 1.15V RHE , Lt; / RTI > (e) The action spectrum of BiVO 4 (all data were obtained with an electrolyte of 1.0 M KCi at pH 9.2 under 1 sun illumination).
20 is an IV curve using chopped illumination.
(a) NiOOH / FeOOH / H , 1% Mo: BiVO 4, (b) Ni 2 FeO x / H, TiO 2 /0.5% Ti: Fe 2 O 3, (c) HDP (NiOOH / FeOOH / H, 1 % Mo: BiVO 4 Ni 2 FeO x / H, TiO 2 /0.5% Ti: Fe 2 O 3 ), (d) the best results for each photoelectrode (electrolyte: 1.0M KCi, pH 9.2) the photoelectrode is BiVO 4 used in the 4.5 to 5.0mA / cm 2, Fe 2 O 3 3.3 to about 4.1mA / cm 2 and the HDP was 6.5 to 7.0 mA / cm 2 at 1.23V RHE.
Figure 21 is a light-absorbing layer under 1 sun BiVO (AM 1.5G) 4, Fe 2 O 3 and Fe 2 O 3 having || 4 BiVO a 2p c-Si 2p c-Si solar not provided with the solar cell and the light absorbing layer The IV curve of the cell. The insertion table includes performance data of a 2p c-Si solar cell having an active area of 0.25 cm &lt; 2 & gt ;.
22 is an IV curve of the gwangyang pole.
(a) a three-electrode configuration for measurement, and (b) a two-electrode configuration for measurement.
Metal oxide film / 2 c-Si solar cells of the IV curve of the actual tandem cell, the photo-electrode (c) consisting of NiOOH / FeOOH / H, 1% Mo: BiVO 4, (d) Ni 2 FeO x / H, TiO 2 were compared with Fe 2 O 3, (e) HDP (BiVO 4 || Fe 2 O 3): /0.5% Ti. The measurement conditions were AM 1.5G (100mW / cm 2 ), 1.0M KCi (pH 9.2), post scan (20mV / sec), counter electrode Pt mesh and active area (0.24cm 2 ).
23 is a photocurrent report of a metal oxide photocathode (BiVO 4 , Fe 2 O 3 , WO 3 and BiVO 4 / WO 3 heterojunction). HDP represents the BiVO 4 || Fe 2 O 3 heterogeneous double electrode, and the blank sign indicates that the photocurrent value was measured at a potential different from the standard 1.23 V RHE .
24 is a schematic diagram of a water electrolysis system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 구현예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예들에 한정되지 않는다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.In addition, since the sizes and thicknesses of the respective components shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of explanation, the present invention is not necessarily limited to those shown in the drawings. In the drawings, the thickness is enlarged to clearly represent the layers and regions. In the drawings, for the convenience of explanation, the thicknesses of some layers and regions are exaggerated.

또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향 쪽으로 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.Also, when a portion such as a layer, a film, an area, a plate, etc. is referred to as being "on" or "on" another portion, this includes not only the case where the other portion is "directly on" . Conversely, when a part is "directly over" another part, it means that there is no other part in the middle. Also, to be "on" or "on" the reference portion is located above or below the reference portion and does not necessarily mean "above" or "above" toward the opposite direction of gravity .

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Also, throughout the specification, when an element is referred to as "including" an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

광전기화학Photoelectric chemistry  Cell

본 발명에 따른 광전기화학 셀은 전해질에 침지된 복수의 광전극 및 전해질에 침지된 상대전극을 포함하며, 복수의 광전극은 상대전극과 전기적으로 병렬 연결된다.A photoelectrochemical cell according to the present invention includes a plurality of photoelectrodes immersed in an electrolyte and a counter electrode immersed in an electrolyte, wherein the plurality of photoelectrodes are electrically connected in parallel with the counter electrode.

여기서 병렬 연결이라 함은 복수의 광전극끼리는 서로 독립적이며, 각 광전극이 상대전극과 연결된 상태를 의미할 수 있다.Here, the parallel connection means that a plurality of optical electrodes are independent from each other, and each optical electrode is connected to the counter electrode.

기존의 이종접합 광전극(heterojunction photoelectrode)은 단일 액체-반도체 접합(single liquid-semiconductor junction) 및 고체-고체 접합(solid-solid junction)을 단일 광전극으로 결합한 형태로 이루어 졌다.Conventional heterojunction photoelectrodes are made by combining single liquid-semiconductor junctions and solid-solid junctions with a single photoelectrode.

이와는 달리 본 발명에 따른 복수의 광전극은 복수의 독립적인 액체-반도체 접합(liquid-semiconductor junction)을 포함한다. 이에 따라 각 광전극을 독립적으로 최적화할 수 있으며, 광전기화학 셀의 성능이 복수의 개별적인 성능의 합이 된다.Alternatively, the plurality of photoelectrodes according to the present invention comprise a plurality of independent liquid-semiconductor junctions. Thus, each photoelectrode can be independently optimized, and the performance of the photoelectrochemical cell is a sum of a plurality of individual performances.

즉, 광흡수 및 광활용 능력이 물질의 종류마다 다르며, 광전기화학 셀에서 급한 문제는 광전압이 아닌 광전류 값임을 고려하여 복수의 광전극을 병렬연결로 사용함으로써 광전류를 높이는 것이 가능하다.That is, considering that the light absorption and the light utilization ability differ depending on the kind of material, and the urgent problem in the photoelectrochemical cell is the photocurrent value, not the light voltage, it is possible to increase the photocurrent by using a plurality of photoelectrodes in parallel connection.

복수의 광전극 및 상대전극은 모두 전해질에 침지된 상태이며, 멤브레인을 통해 복수의 광전극이 침지된 영역과 상대전극이 침지된 영역으로 구분될 수 있다.The plurality of photoelectrodes and the counter electrode are all immersed in the electrolyte and can be divided into a region in which a plurality of photoelectrodes are immersed through a membrane and a region in which a counter electrode is immersed.

복수의 광전극이 빛을 조사받으면 광전극에서 전자와 정공(수소이온)이 생성되며, 산소가 발생한다. 복수의 광전극은 상대전극과 전기적으로 병렬 연결되므로 각각의 광전극에서 생성된 전자는 상대전극으로 전달되고, 상대전극에서 수소이온이 환원되어 수소가 발생한다.When a plurality of photoelectrodes are irradiated with light, electrons and holes (hydrogen ions) are generated in the photoelectrode, and oxygen is generated. Since the plurality of photoelectrodes are electrically connected in parallel with the counter electrode, electrons generated in each photoelectrode are transferred to the counter electrode, and hydrogen ions are reduced from the counter electrode.

상대전극은 Pt를 포함할 수 있으며, 에탄올에 희석된 0.5mM H2PtCl6*6H2O을 FTO 상에 코팅한 후, 열처리하여 제조될 수 있다.The counter electrode may include Pt, and may be prepared by coating 0.5 M H 2 PtCl 6 * 6H 2 O diluted in ethanol on the FTO and then heat-treating.

복수의 광전극은 각각 반도체를 포함하며, 빛이 조사되는 방향을 기준으로, 전방부터 상기 반도체의 밴드갭 에너지가 큰 광전극 순서로 배치될 수 있다.Each of the plurality of photoelectrons may include a semiconductor and may be arranged in the order of the photoelectrode having a bandgap energy of the semiconductor from the front side with respect to a direction in which the light is irradiated.

광자를 전자로 전환시키는 반도체를 이용할 경우, 가장 중요한 요건은 적정한 밴드갭이다. 밴드갭보다 작은 에너지를 갖는 광자는 반도체에 흡수되지 않고(비흡수 손실) 통과하는 반면, 밴드갭을 초과하는 에너지를 갖는 전자는 흡수 시(열중성자화 손실) 포논(phonons, 격자진동, 열)을 방출하여 에너지 일부를 잃는다.When using semiconductors that convert photons to electrons, the most important requirement is the proper bandgap. Photons with energy lower than the bandgap are not absorbed by the semiconductor (unabsorbed loss), while electrons with energies above the bandgap pass through phonons (lattice vibration, heat) during absorption (thermal neutronization loss) To lose some energy.

태양 에너지의 효율적인 활용을 위하여 이러한 두 가지의 근본적인 손실은 최소화하여야 하고, 상기와 같은 손실을 최소화하는 방법 중에서 다중 접합 방법은 이미 입증된 방법이다.For efficient utilization of solar energy, these two fundamental losses must be minimized, and among the methods of minimizing such losses, multiple joining methods are already proven methods.

따라서 큰 밴드갭 반도체는 우선 고 에너지 광자를 흡수하고, 그 뒤에 있는 작은 밴드 갭 반도체는 저 에너지 광자를 활용한다. 그 결과, 다중 접합 태양 전지의 이론적 효율은 68%에 도달할 수 있다.Thus, a large bandgap semiconductor first absorbs high energy photons, and a small bandgap semiconductor behind it absorbs low energy photons. As a result, the theoretical efficiency of the multi-junction solar cell can reach 68%.

이를 테면, 복수의 광전극은 각각 반도체를 포함하는데 반도체는 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는다. 복수의 광전극은 상대전극과 병렬 연결되되, 빛이 조사되는 방향을 기준으로, 전방부터 밴드갭 에너지가 큰 순서로 배치된다.For example, the plurality of photoelectrodes each include a semiconductor, and the semiconductor has different band gap energies. The plurality of photoelectrodes are connected in parallel with the counter electrode, and arranged in the order of increasing band gap energy from the front with reference to the direction in which the light is irradiated.

이에 따라 전방으로부터 조사된 빛이 가장 큰 밴드갭 반도체를 포함하는 광전극을 통과하여 고 에너지 광자가 흡수되고, 이보다 작은 밴드갭 반도체를 포함하는 광전극을 통과하여 상대적으로 낮은 에너지 광자가 흡수된다.Accordingly, the light irradiated from the front passes through the photoelectrode including the largest bandgap semiconductor to absorb the high energy photons, and the relatively low energy photons are absorbed through the photoelectrode including the bandgap semiconductor.

고 에너지 광자부터 순차적으로 광전극에 흡수됨으로써 태양 에너지의 손실을 최소화하고 효율적인 활용이 가능하다.By absorbing the high-energy photons sequentially from the photoelectrode, it is possible to minimize the loss of solar energy and utilize it efficiently.

복수의 광전극은 각각 반도체를 포함하되, 모두 n type 반도체로 이루어진 조합 또는 모두 p type 반도체로 이루어진 조합으로 구성될 수 있다.The plurality of photoelectrodes each include a semiconductor, and may be a combination of n type semiconductors or a combination of both p type semiconductors.

광전류를 더하기 위해서는 광흡수 물질인 복수의 반도체가 동일한 방향으로 분극되어야 한다. 따라서 n type/n type 혹은 p type/p type 의 반도체 조합만 사용될 수 있다.In order to add a photocurrent, a plurality of semiconductors, which are light absorbing materials, must be polarized in the same direction. Therefore, only semiconductor combinations of n type / n type or p type / p type can be used.

광전극은 제1광전극 및 제1광전극보다 장파장의 빛을 흡수하는 제2광전극을 포함하며, 상대전극 방향으로부터 조사된 빛이 순차적으로 제1광전극 및 제2광전극에 흡수될 수 있다.The photoelectrode includes a first photoelectrode and a second photoelectrode that absorbs light of a longer wavelength than the first photoelectrode. Light emitted from the counter electrode may be sequentially absorbed by the first photoelectrode and the second photoelectrode. have.

제1광전극은 제1전도성 기판 및 제1전도성 기판 상에 위치하는 제1광흡수층을 포함하며, 제1광흡수층은 SiO2, TiO2, WO3, Fe2O3, SnO2, ZnO, ZrO2, In2O3, MoS2, BiVO4, SrTiO3, CaTiO3 및 KTaO3 중에서 선택되는 하나 이상의 반도체를 포함할 수 있다.First optical electrode of claim 1 including a first light absorption layer disposed on the conductive substrate and the first conductive substrate, a first light-absorbing layer is SiO 2, TiO 2, WO 3 , Fe 2 O 3, SnO 2, and ZnO, ZrO 2, in 2 O 3, MoS 2, BiVO 4, SrTiO 3, may include one or more semiconductors selected from the group consisting of CaTiO 3 and KTaO 3.

구체적으로, 제1전도성 기판은 FTO로 구성되고, 제1광흡수층은 BiVO4를 포함할 수 있다. 또한, BiVO4는 Mo로 도핑되되, Bi:(V+MO)의 원자비가 1:0.8 내지 1:1.2가 되도록 Mo이 도핑될 수 있다.Specifically, the first conductive substrate may be comprised of FTO and the first light absorbing layer may comprise BiVO 4 . Also, BiVO 4 can be doped with Mo such that the atomic ratio of Bi: (V + MO) is 1: 0.8 to 1: 1.2.

제1광전극은 제1광흡수층 상에 위치하는 제1조효소층을 더 포함하며, 제1조효소층은 FeOOH 및 NiOOH을 포함할 수 있다.The first photoelectrode further comprises a first coenzyme layer located on the first light absorbing layer, wherein the first coenzyme layer may comprise FeOOH and NiOOH.

제2광전극은 제2전도성 기판 제2전도성 기판 상에 위치하는 제2광흡수층을 포함하며, 제2광흡수층은 SiO2, TiO2, WO3, Fe2O3, SnO2, ZnO, ZrO2, In2O3, MoS2, BiVO4, SrTiO3, CaTiO3 및 KTaO3 중에서 선택되는 하나 이상의 반도체를 포함할 수 있다.Second optical electrode comprising a second light absorption layer disposed on the second conductive substrate, the second conductive substrate, the second light absorbing layer is SiO 2, TiO 2, WO 3, Fe 2 O 3, SnO 2, ZnO, ZrO 2, in 2 O 3, MoS 2, BiVO 4, SrTiO 3, may include one or more semiconductors selected from the group consisting of CaTiO 3 and KTaO 3.

제2전도성 기판은 FTO로 구성되고, 제2광흡수층은 Fe2O3을 포함할 수 있다. 또한, Fe2O3은 Ti로 도핑되되, Fe:Ti의 원자비가 1:0.003 내지 1:0.007이 되도록 Ti가 도핑될 수 있다.The second conductive substrate may be comprised of FTO and the second light absorbing layer may comprise Fe 2 O 3 . Also, Fe 2 O 3 may be doped with Ti such that the atomic ratio of Fe: Ti is 1: 0.003 to 1: 0.007, which is doped with Ti.

한편, 제2광전극은 제2광흡수층 상에 위치하며, TiO2를 포함하는 표면처리층을 더 포함할 수 있다.On the other hand, the second optical electrode is located on the second light absorption layer and may further include a surface treatment layer containing TiO 2 .

제2광전극은 표면처리층 상에 위치하는 제2조효소층을 더 포함하며, 제2조효소층은 NiFeOx, Ni2FeOx 및 Ni3FeOx 중에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다.The second photoelectrode further comprises a second coenzyme layer positioned on the surface treatment layer and the second coenzyme layer may comprise one or more compounds selected from NiFeO x , Ni 2 FeO x and Ni 3 FeO x .

금속 산화물 반도체의 장점은 일반적으로 수용액에서의 양호한 안정성, 저비용 및 스케일업이 용이한 용액 기반 공정에 있으며, 대부분의 금속 산화물은 범용 원소(earth-abundant elements)로 구성되어 있다.The advantages of metal oxide semiconductors are in solution-based processes, which are generally good stability in aqueous solutions, low cost and easy scale-up, and most metal oxides are composed of earth-abundant elements.

그러나 금속 산화물의 전기 특성은 광전기화학(photoelectrochemical, PEC) 물 분리에 있어서 보통의 ηSTH값을 나타낸다. 최근의 BiVO4에 대한 광범위한 연구는 90%까지의 상당히 높은 입사 광자-전류 효율(photon-to-current efficiencies, IPCE)을 나타내나 다소 큰 밴드갭으로 인하여 510nm 이하의 파장에서 광자만을 이용한다.However, the electrical properties of metal oxides show normal η STH values in photoelectrochemical (PEC) water separation. Recent research on BiVO 4 shows significantly higher photon-to-current efficiencies (IPCE) of up to 90%, but only uses photons at wavelengths below 510 nm due to rather large band gaps.

반대로 Fe2O3는 2.0eV 이하의 거의 이상적인 작은 밴드갭을 가지며, 620 nm까지의 긴 파장의 광자를 이용할 수 있다. 그러나 Fe2O3의 ηSTH는 아주 열악한 전기 특성 때문에 낮은 상태로 존재한다. 따라서 이들 두 반도체를 결합함으로써 태양광 스펙트럼의 상이한 부분들을 활용할 수 있다.Conversely, Fe 2 O 3 has an almost ideal small bandgap of less than 2.0 eV and can utilize long wavelength photons up to 620 nm. However, η STH of Fe 2 O 3 exists in a low state due to its poor electrical properties. Thus, by combining these two semiconductors, different parts of the solar spectrum can be utilized.

효율적인 광흡수를 위하여 상이한 밴드갭을 활용하는 가장 공통적인 방법은 이종접합(heterojunction)을 형성하는 것인데 도 1과 같이, BiVO4(상층)와 Fe2O3(하층)을 결합하여 이중층 타입의 이종접합을 형성하는 경우, 이중층 타입의 광전극은 단일의 광전극보다 열등한 PEC 물 산화 성능을 나타낸다. 이는 BiVO4/Fe2O3 접합이 BiVO4/WO3 접합의 바람직한 스태거링(staggering, 타입II) 밴드갭 대신에 스트래들링(straddling, 타입I) 밴드 정렬을 갖기 때문이다. 이러한 밴드 정렬은 Fe2O3에서 생성된 홀이 BiVO4에 전달되는 것을 방지하여 효과적인 전하 분리에 적합하지 않기 때문이다.The most common way to utilize different band gaps for efficient light absorption is to form a heterojunction. As shown in Fig. 1, BiVO 4 (upper layer) and Fe 2 O 3 (lower layer) When a junction is formed, the double layer type photo electrode exhibits PEC water oxidation performance inferior to that of a single photo electrode. This is because BiVO 4 / Fe 2 O 3 junctions have straddling (Type I) band alignment instead of the preferred staggering (Type II) band gap of BiVO 4 / WO 3 junctions. This band alignment prevents holes generated in Fe 2 O 3 from being transferred to BiVO 4 , which is not suitable for effective charge separation.

또한, BiVO4에서 생성된 광전자는 열악한 전기 특성을 갖는 Fe2O3을 거쳐 F가 도핑된 SnO2 유리(F-doped SnO2 glass, FTO)에 도달한다.In addition, the photoelectron generated in the BiVO 4 is through the Fe 2 O 3 having a poor electrical properties and reaches the F-doped SnO 2 glass (F-doped SnO 2 glass, FTO).

상이한 밴드갭의 두 반도체을 이용하여 물 분리를 위한 효율적인 광흡수 방법을 연구하기 위해 천연 해조류는 그들이 서식하는 바다의 깊이에 따라 다양한 색상으로 변화함에 착안하였다. 420nm 이하 청색의 단파장을 갖는 광자는 600nm 이상 적색의 장파장을 갖는 광자가 도달할 수 없는 바다 깊은 곳을 통과할 수 있다. 해조류는 상이한 파장의 광자에 적응하면서 바다 깊이 들어갈수록 이들의 색이 녹색(녹조류), 황색(갈조류), 적색(홍조류)으로 변화하여 광합성을 위한 선택적 광 수확 능력을 발전시킨다.In order to study efficient light absorption methods for water separation using two semiconductors with different bandgaps, natural algae have been shown to vary in color depending on the depth of their seas. A photon with a short wavelength of 420 nm or less can pass through the depths of the ocean where a photon with a wavelength longer than 600 nm can not reach it. Algae adapt to different wavelength photons, and their color changes to green (green algae), yellow (brown algae) and red (red algae) as they penetrate deep into the sea, developing selective light harvesting ability for photosynthesis.

이렇게 간단하면서 효과적인 자연 속의 예로부터 착안하여 본 발명에 따른 광화학전기 셀은 이종-타입 이중 광전극(hetero-type dual photoelectrode, HDP)을 도입하였다.The photochemical electric cell according to the present invention introduces a hetero-type dual photoelectrode (HDP) in consideration of this simple and effective natural example.

상대전극과 전기적으로 병렬 연결된 BiVO4을 포함하는 제1광전극과 Fe2O3을 포함하는 제2광전극을 이용함으로써 각 광전극을 독립적으로 최적화할 수 있으며, 광전기화학 셀의 성능이 복수의 개별적인 성능의 합이 된다.Each of the photoelectrodes can be independently optimized by using the first photoelectrode including BiVO 4 electrically connected in parallel with the counter electrode and the second photoelectrode including Fe 2 O 3 , It is the sum of individual performance.

제1광전극 및 제2광전극의 배치를 통해 BiVO4을 고 에너지 광자의 흡수에 이용하고, Fe2O3을 저 에너지 광자의 흡수에 이용할 경우, 비흡수 손실과 열중성자화 손실을 모두 최소화할 수 있다.BiVO 4 is used for the absorption of high energy photons through the arrangement of the first and second photoelectrodes and when the Fe 2 O 3 is used for absorption of low energy photons, both the non-absorption loss and the thermal neutronization loss are minimized can do.

효율적인 HDP 시스템을 위해 제1광전극 및 제2광전극을 개별적으로 최적화하여 단일 광전극으로서의 최선의 성능을 뽑아낼 필요가 있다.It is necessary to individually optimize the first optical electrode and the second optical electrode for an efficient HDP system to extract the best performance as a single optical electrode.

구체적으로, 전방의 제1광전극에 의한 산란을 최소화하여 투과광을 후방의 제2광양극에 도달하게 할 필요가 있다. 이를 위해 제1광흡수층 및 제2광흡수층의 벌크 및 표면 개질을 수행한다. 보다 구체적으로, BiVO4 및 Fe2O3의 도핑과 조효소 로딩을 이용하여 벌크 및 표면에서의 전하 분리를 각각 향상시켰다.Specifically, it is necessary to minimize the scattering by the first optical electrode in front and to cause the transmitted light to reach the second photodetector in the rear side. To this end, bulk and surface modification of the first light absorbing layer and the second light absorbing layer are performed. More specifically, doping of BiVO 4 and Fe 2 O 3 and coarse loading were used to improve charge separation on the bulk and surface, respectively.

금속-유기 증착(metal-organic deposition, MOD) 방법에 의하여 기본 BiVO4을 포함하는 제1광전극을 제조하였다. 이어서 1at% Mo로 도핑 및 환원 처리를 실시하여 주로 벌크 전하 분리 효율을 증가시켰다. 수소화붕소 분해 방법을 통한 환원 처리는 BiVO4 격자 내 전하 캐리어 밀도를 효과적으로 증가시키는 Vo 결함을 유도하였다.A first photoelectrode containing basic BiVO 4 was prepared by a metal-organic deposition (MOD) method. Followed by doping and reduction treatment with 1 at% Mo to increase bulk charge separation efficiency. The reduction treatment with the borohydride decomposition method induced a Vo defect which effectively increased the charge carrier density in the BiVO 4 lattice.

질산염 분해 방법에 의하여 기본 Fe2O3을 포함하는 제2광전극을 제조하였다. 이어서 0.5at% Ti로 도핑 및 환원 처리를 실시하여 주로 벌크 전하 분리 효율을 증가시켰다. 마찬가지로 수소화붕소 분해 방법을 통한 환원 처리는 Fe2O3 격자 내 전하 캐리어 밀도를 효과적으로 증가시키는 Vo 결함을 유도하였다.A second photoelectrode containing basic Fe 2 O 3 was prepared by the nitrate decomposition method. Subsequently, doping and reduction treatment with 0.5 at% Ti was performed to increase the bulk charge separation efficiency. Similarly, the reduction treatment with the borohydride decomposition method induced a Vo defect which effectively increased the charge carrier density in the Fe 2 O 3 lattice.

따라서 제1광전극 및 제2광전극의 도핑 및 환원 처리를 통해 n type 전도성이 향상되었다.Accordingly, the n type conductivity is improved by doping and reducing the first and second photoelectrodes.

한편, BiVO4 표면에 NiOOH/FeOOH을 포함하는 제1조효소층을 증착하여 전해질에 대한 전하 캐리어 주입 효율을 향상시켰다.On the other hand, the first co-enzyme layer containing NiOOH / FeOOH was deposited on the surface of BiVO 4 to improve charge carrier injection efficiency for the electrolyte.

또한, 얇은 TiO2 표면처리층을 갖는 Fe2O3 표면에 Ni2FeOx 포함하는 제2조효소층을 증착하여 전해질에 대한 전하 캐리어 주입 효율을 향상시켰다.In addition, the second coarse layer containing Ni 2 FeO x was deposited on the surface of Fe 2 O 3 having a thin TiO 2 surface treatment layer to improve charge carrier injection efficiency for the electrolyte.

도 2 및 도 3의 SEM 이미지에서 확인할 수 있듯이, BiVO4 및 Fe2O3는 각각 약 50nm 및 약 10nm의 크기를 갖는 나노 다공성이며 양호하게 연결된 비등방성 형태를 가진다. 도 2 및 도 3의 SEM 이미지는 조효소 나노입자가 각 반도체 표면 상에 잘 분산되어 있음을 보여준다.As can be seen in the SEM images of FIGS. 2 and 3, BiVO 4 and Fe 2 O 3 are nanoporous and well connected anisotropic forms with sizes of about 50 nm and about 10 nm, respectively. The SEM images of FIGS. 2 and 3 show that the coenzyme nanoparticles are well dispersed on each semiconductor surface.

도 4에서 확인할 수 있듯이, 제1광흡수층 및 제2광흡수층의 XRD 결정 구조는 표준 단사정계 BiVO4 및 적철광 α-Fe2O3이다.As can be found in 4, the first light absorbing layer 2 and the XRD crystal structure of the light absorbing layer is a standard monoclinic BiVO 4 and hematite α-Fe 2 O 3.

도 5에서 확인할 수 있듯이, XPS 스펙트럼은 BiVO4 및 Fe2O3에서 예측 위치에서의 결합 에너지를 보여 준다.As can be seen from FIG. 5, the XPS spectrum shows the binding energy at the predicted position in BiVO 4 and Fe 2 O 3 .

본 발명에 따른 광전기화학 셀에서 희생 아황산염(SO3 2-) 용액의 PEC 산화를 위한 광전극으로서 벌크-개질 막을 테스트하여 광흡수 능력 및 벌크 분리 효율(ηbulk)을 평가하였다.The bulk-reforming film was tested as a photoelectrode for PEC oxidation of a sacrificial sulfite (SO 3 2- ) solution in a photoelectrochemical cell according to the present invention to evaluate light absorption capacity and bulk separation efficiency (η bulk ).

도 6에서 확인할 수 있듯이, Mo(또는 Ti) 도핑 및 환원 처리는 광전류 및 ηbulk을 크게 증가시켰다. BiVO4에서 감소된 1 % Mo:BiVO4는 1.23VRHE에서 90% 이상의 ηbulk을 나타낸다. 도핑과 부분 환원 처리도 전면 및 후면 조명 사이의 광전류 갭을 감소시키고, 벌크 전자 수송을 향상시킨다. 또한, 1.23VRHE에서 가장 높은 ηbulk가 겨우 41%이지만 동일한 경향을 Fe2O3에서 관찰하였다.As can be seen in Fig. 6, the Mo (or Ti) doping and reduction treatment significantly increased photocurrent and eta bulk . The decrease in the 1% Mo BiVO 4: BiVO 4 represents more than 90% in bulk η 1.23V RHE. Doping and partial reduction processes also reduce the photocurrent gap between front and back illumination and improve bulk electron transport. In addition, the highest η bulk at 1.23 V RHE was only 41%, but the same tendency was observed in Fe 2 O 3 .

도 7에서 확인할 수 있듯이, 400nm 이상의 순 적철석의 IPCE 값은 Fe3 +의 비효율적인 간접 d-d 전이에 기인하기 때문에 상대적으로 낮다. 그러나 Ti 도핑 및 환원 처리는 흡수단 근처에서 간접 전이의 IPCE를 증가시키는데 특히 효과적이다.As can be found at 7, 400nm or more IPCE value in the order of hematite is relatively low, because due to the inefficient indirect dd transition of Fe + 3. However, Ti doping and reduction processes are particularly effective at increasing the IPCE of indirect transitions near the absorption edge.

도 8의 Mott-Schottky 그래프에서 확인할 수 있듯이, 도핑 및 환원 처리의 주요 효과는 BiVO4 및 Fe2O3의 전하 캐리어 밀도를 증가시켜 벌크 전하 수송 성질을 향상시키는 것이다.As can be seen from the Mott-Schottky graph of FIG. 8, the major effect of the doping and reduction process is to increase the charge carrier density of BiVO 4 and Fe 2 O 3 to improve bulk charge transport properties.

도 9(b) 및 도 10(a)에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 물 전기부해 시스템에서 최적화된 두 개의 광전극을 이용함으로써 빛이 조사되는 방향을 기준으로, 전방부터 BiVO4(H, 1% Mo:BiVO4)을 포함하는 제1광전극, 후방의 Fe2O3(H, TiO2/0.5% Ti:Fe2O3)을 포함하는 제2광전극을 위치시켜 BiVO4||Fe2O3으로 표현되는 HDP를 제조하였다.As can be seen from FIGS. 9 (b) and 10 (a), BiVO 4 (H, HV) is applied from the front based on the direction in which the light is irradiated by using two optical electrodes optimized in the water electrolysis system of the present invention. 1% Mo: the first optical electrode, a back comprising a BiVO 4) Fe 2 O 3 ( H, TiO 2 /0.5% Ti: by placing a second optical electrode comprising an Fe 2 O 3) BiVO 4 || HDP represented by Fe 2 O 3 was prepared.

도 10(b)에서 확인할 수 있듯이, BiVO4을 포함하는 단일 광전극, Fe2O3을 포함하는 단일 광전극 및 BiVO4||Fe2O3 HDP는 모두 고도로 투명한데 BiVO4을 포함하는 단일 광전극은 550nm에서 75%, Fe2O3을 포함하는 단일 광전극은 650 nm에서 70%, 그리고 HDP는 650nm에서 50%의 투과율을 가진다.As is found in 10 (b), a single photo-electrode, Fe single optical electrode including the 2 O 3 and Fe 2 O 3 BiVO 4 || HDP is highly transparent both together comprising a single BiVO 4 containing BiVO 4 The photoelectrode has a transmittance of 75% at 550 nm, a single light electrode containing Fe 2 O 3 at 70% at 650 nm, and a transmittance of 50% at 650 nm for HDP.

본 발명에 따른 광전기화학 셀에서 전해질은 pH 9 내지 10의 중탄산 칼륨 수용액일 수 있다.In the photoelectrochemical cell according to the present invention, the electrolyte may be a potassium bicarbonate aqueous solution having a pH of 9 to 10.

BiVO4을 포함하는 단일 광전극은 활성과 안정성 측면에서 pH 7의 전해질이 최적이며, Fe2O3을 포함하는 단일 광전극은 활성과 안정성 측면에서 pH 12 이상의 전해질이 최적이다. 따라서 HDP을 적용하는 첫 번째 가장 중요한 작업은 BiVO4 및 Fe2O3 둘 다에 적합한 최적 전해질을 찾는 것이다.The single electrode including BiVO 4 is optimal for pH 7 in terms of activity and stability, and the single electrode containing Fe 2 O 3 is optimal for electrolyte with pH 12 or higher in terms of activity and stability. Therefore, the first and most important task of applying HDP is to use BiVO 4 And Fe 2 O 3 .

도 11 내지 도 13의 스크리닝 테스트(screening test)에서 확인할 수 있듯이, pH 9.2의 1.0M 비카르보네이트 KCi 용액이 두 반도체 및 선택된 조효소를 위하여 양호한 절충물이다. 또한, 산소 발생 조효소로서 BiVO4는 NiOOH/FeOOH가, Fe2O3는 Ni2FeOx/TiO2가 가장 우수함을 알 수 있다.As can be seen in the screening test of Figures 11-13, a 1.0 M bicarbonate KCi solution of pH 9.2 is a good compromise for both semiconductors and selected coenzyme. It can be seen that NiOOH / FeOOH as BiO 4 as the oxygen generating coenzyme and Ni 2 FeO x / TiO 2 as Fe 2 O 3 are the most excellent.

특히, Fe2O3을 포함하는 제2광흡수층 상에 증착된 얇은 TiO2을 포함하는 표면처리층은 헬름홀츠층(Helmholtz layer) 내에서의 바람직하지 않은 전자-홀 재결합 및 전위 하강을 일으키는 Fe2O3의 표면 상태를 패시베이션(passivation)한다. 따라서 상기 처리는 광전류 생성을 향상시킬 뿐만 아니라 개시 전위의 음성 이동 및 전극으로부터 더 큰 광전압도 생성한다.In particular, the surface treatment layer comprising the thin TiO 2 deposited on the second light-absorbing layer comprising Fe 2 O 3 has an undesirable electron-hole recombination in the Helmholtz layer and a Fe 2 Passivates the surface state of O 3 . Thus, the process not only improves photocurrent generation, but also produces a voice transfer of the initiation potential and a larger photovoltaic output from the electrode.

광전기화학셀Photoelectric chemical cell 제조방법 Manufacturing method

본 발명에 따른 광전기화학셀 제조방법은 복수의 광전극을 준비하는 단계, 상대전극을 준비하는 단계 및 복수의 광전극 및 상대전극을 전해질에 침지시키고, 복수의 광전극을 상대전극과 전기적으로 병렬 연결하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing an opto-electrochemical cell according to the present invention includes the steps of preparing a plurality of photoelectrodes, preparing a counter electrode, immersing a plurality of photoelectrodes and a counter electrode in an electrolyte, electrically connecting a plurality of photoelectrons .

복수의 광전극을 준비하는 단계는 제1전도성 기판 상에 제1광흡수층을 위치시켜 제1광전극을 준비하는 단계 및 제2전도성 기판 상에 제2광흡수층을 위치시켜 제2광전극을 준비하는 단계를 포함할 수 있다.Preparing the plurality of photoelectrodes includes the steps of preparing a first photoelectrode by placing a first photoabsorption layer on a first conductive substrate, preparing a second photoabsorption layer by placing a second photoabsorption layer on the second conductive substrate, .

구체적으로, 제1광전극을 준비하는 단계는 비스무스 원료물질, 바나듐 원료물질, 몰리브덴 원료물질 및 제1용매를 혼합하여 제1전구체 용액을 제조하는 과정 및 제1전구체 용액을 FTO로 구성되는 제1전도성 기판 상에 적하하고, 건조 및 열처리하여 제1광흡수층을 형성시키는 과정을 포함할 수 있다.Specifically, the step of preparing the first photoelectrode includes a step of preparing a first precursor solution by mixing a bismuth raw material, a vanadium raw material, a molybdenum raw material and a first solvent, and a step of mixing the first precursor solution with a first precursor solution Forming a first light absorbing layer by dripping onto a conductive substrate, followed by drying and heat treatment.

제1광흡수층을 형성시키는 과정 이후에는 수소화붕소 분해 방법을 이용하여 제1광흡수층을 환원 처리하는 과정을 더 포함할 수 있다.After the step of forming the first light absorbing layer, the first light absorbing layer may be reduced using a borohydride decomposition method.

또한, 제1광흡수층을 형성시키는 과정 이후에는 황산화철 용액 및 황산화니켈 용액을 제1광흡수층 상에 증착하여 FeOOH 및 NiOOH을 포함하는 제1조효소층을 형성시키는 과정을 더 포함할 수 있다.After the step of forming the first light absorbing layer, a step of forming a first coenzyme layer containing FeOOH and NiOOH by depositing a solution of iron oxide iron and a solution of nickel sulfide onto the first light absorbing layer may be further included.

[제1광전극의 제조예][Production example of first optical electrode]

변형 금속-유기 분해(metal-organic decomposition, MOD) 방법으로 BiVO4을 포함하는 제1광전극을 제조하였다.A first photoelectrode containing BiVO 4 was prepared by a metal-organic decomposition (MOD) method.

아세트산(99.7%; Kanto Chemicals)에 용해된 비스무스 원료물질인 0.2M Bi(NO3)*5H2O(99.8%; Kanto Chemicals)와 아세틸 아세톤(99.0%; Kanto Chemicals) 에 용해된 바나듐 원료물질인 0.03M VO(acac)2(98.0%; Sigma Aldrich) 및 몰리브덴 원료물질인 0.03M MoO2(acac)2(98.0%; Sigma Aldrich)을 화학론적 양으로 혼합하여 제1전구체 용액을 제조하였다. 제1용매는 아세트산 및 아세틸 아세톤이 혼합된 형태일 수 있다.A vanadium raw material dissolved in acetic acid (99.7%; Kanto Chemicals) dissolved in bismuth raw material 0.2M Bi (NO 3 ) * 5H 2 O (99.8%; Kanto Chemicals) and acetylacetone (99.0% A first precursor solution was prepared by mixing 0.03 M VO (acac) 2 (98.0%; Sigma Aldrich) and 0.03 M MoO 2 (acac) 2 (98.0%; Sigma Aldrich), a raw material of molybdenum, in a stoichiometric amount. The first solvent may be a mixture of acetic acid and acetylacetone.

Bi:(V+Mo) = 1:1 원자비를 만족하도록 Mo을 도핑하여 1% Mo:BiVO4을 포함하는 제1광흡수층을 형성시켰다. 제1전구체 용액 60㎕를 FTO 유리(2cm x 2.5cm)에 적하하고, Ar 분위기에서 15분 동안 건조하였다. 합성 조건에 따라 10 내지 80㎕의 제1전구체 용액이 이용될 수 있다.Mo was doped so as to satisfy the Bi: (V + Mo) = 1: 1 atomic ratio to form a first light absorbing layer containing 1% Mo: BiVO 4 . 60 占 퐇 of the first precursor solution was dropped onto FTO glass (2 cm x 2.5 cm) and dried in an Ar atmosphere for 15 minutes. Depending on the synthesis conditions, 10 to 80 [mu] l of the first precursor solution may be used.

제1전도성 기판인 FTO 유리(TEC 8; Pilkington)를 질량비 1:5로 혼합된 KOH(0.1M) + 에탄올로 세정하고, 풍부한 양의 탈이온수로 세척한 다음, 사용 전에는 최종적으로 아세톤에 저장하였다.The first conductive substrate, FTO glass (TEC 8; Pilkington), was washed with KOH (0.1 M) + ethanol mixed at a mass ratio of 1: 5, washed with an abundant amount of deionized water, and finally stored in acetone before use .

녹색의 투명 전구체막을 550℃에서 25분 동안 하소하여 황색의 제1광흡수층을 형성하였다. 어닐링 공정 후, 2cm x 2.5cm BiVO4/FTO을 분리하여, 은 페이스트 및 구리 배선에 의하여 연결되고, 에폭시 수지로 밀봉된 0.24cm2의 순 조사 면적을 갖는 광전극을 얻었다.Green transparent precursor film was calcined at 550 DEG C for 25 minutes to form a yellow first light absorbing layer. After the annealing process, a 2 cm x 2.5 cm BiVO 4 / FTO was separated to obtain a photoelectrode having a net irradiation area of 0.24 cm 2 sealed by an epoxy resin, which was connected by silver paste and copper wiring.

AM 1.5G 조명 하에서 광-보조 전착(photo-assisted electrodeposition, PED)을 이용하여 NiOOH/FeOOH을 포함하는 제1조효소층을 증착하였다.A first co-enzyme layer containing NiOOH / FeOOH was deposited using photo-assisted electrodeposition (PED) under AM 1.5G illumination.

Ar로 0.25V, Ag/AgCl에서 15분 동안 미리 퍼지된 0.1M Fe(SO4)27H2O(99%; Sigma Aldrich) 용액으로부터 FeOOH를 증착하였다.0.25 V in Ar, FeOOH was deposited from 0.1 M Fe (SO 4 ) 2 7H 2 O (99%; Sigma Aldrich) solution pre-purged for 15 minutes in Ag / AgCl.

이후, 0.11V, Ag/AgCl에서 pH 7.0 이상(0.1M KOH 첨가)의 0.1M Ni(SO4)26H2O (99%; Sigma Aldrich) 용액으로부터 NiOOH를 증착하였다.NiOOH was then deposited from a 0.1 M Ni (SO 4 ) 2 6 H 2 O (99%; Sigma Aldrich) solution at 0.11 V, Ag / AgCl at pH 7.0 or higher (with 0.1 M KOH).

FeOOH 및 NiOOH의 최적 증착 시간은 각각 15분 및 6분이었다. FeOOH를 위한 PED 공정 전, 전극을 아이들(idle) 상에 5분 동안 위치시키면서 격렬히 교반하여 증착 공정 동안에 버블 부착을 최소화하였다. 양쪽 조효소를 위하여 PED 공정 후, 정전류 모드(0.03mA/cm2, 1.3V의 전위 기록, Ag/AgCl 및 전위는 점진적으로 내림)를 어둠 속에서 2분 동안 이용하여 전극의 표면을 완전히 커버(특히, 가능한 핀홀을 커버)하였다.The optimum deposition times of FeOOH and NiOOH were 15 min and 6 min, respectively. Prior to the PED process for FeOOH, the electrode was agitated vigorously for 5 minutes on an idle to minimize bubble attachment during the deposition process. After the PED process for both coenzymes, the constant current mode (0.03 mA / cm 2 , potential record of 1.3 V, Ag / AgCl and potential gradually decreased) was used in the dark for 2 minutes to completely cover the surface of the electrode , Available pinhole covers).

구체적으로, 제2광전극을 준비하는 단계는 철 원료물질, 티타늄 원료물질, 폴리머 및 제2용매를 혼합하여 제2전구체 용액을 제조하는 과정 및 제2전구체 용액을 FTO로 구성되는 제2전도성 기판 상에 적하하고, 건조 및 열처리하여 제2광흡수층을 형성시키는 과정을 포함할 수 있다.Specifically, the step of preparing the second photoelectrode includes the steps of preparing the second precursor solution by mixing the iron source material, the titanium raw material, the polymer and the second solvent, and the second precursor solution by mixing the second precursor solution with the second conductive substrate And then drying and heat-treating the second light absorbing layer to form a second light absorbing layer.

제2광흡수층을 형성시키는 과정 이후에는 수소화붕소 분해 방법을 이용하여 제2광흡수층을 환원 처리하는 과정을 더 포함할 수 있다.After the process of forming the second light absorbing layer, the second light absorbing layer may be reduced using a borohydride decomposition method.

또한, 제2광흡수층을 형성시키는 과정 이후에는 산화티타늄 원료물질 및 제3용매를 혼합하여 코팅액을 제조하는 과정 및 코팅액을 제2광흡수층 상에 코팅하고, 열처리하여 표면처리층을 형성시키는 과정을 더 포함할 수 있다.After the process of forming the second light absorbing layer, a process of preparing a coating liquid by mixing titanium oxide raw material and a third solvent, and a process of coating a coating liquid on the second light absorbing layer and forming a surface treatment layer by heat treatment .

표면처리층을 형성시키는 과정 이후에는 질산화니켈, 질산화철 및 제4용매를 혼합하여 혼합액을 제조하는 과정 및 혼합액을 표면처리층 상에 적하하고, 건조 및 열처리하여 제2조효소층을 형성시키는 과정을 더 포함할 수 있다.After the process of forming the surface treatment layer, a process of preparing a mixed solution by mixing nickel nitrate, nitrate oxide and a fourth solvent and a process of dropping the mixed solution onto the surface treatment layer, drying and heat treatment to form a second coenzyme layer .

[제2광전극의 제조예][Production example of second optical electrode]

폴리머-보조 질산 분해법을 이용하여 Fe2O3을 포함하는 제2광전극을 제조하였다. 따라서 철 원료물질인 0.5M Fe(NO3)2*3H2O(99.0%; Kanto Chemicals)을 2-메틸 메탄올(98.0%; Kanto Chemicals) 및 아세틸 아세톤(99.0%; Kanto Chemicals)에 용해하였다. 2-메틸 메탄올 및 아세틸 아세톤의 부피비는 7:3이었다.A second photoelectrode containing Fe 2 O 3 was prepared using a polymer-assisted nitrate decomposition method. Therefore, the iron raw material 0.5M Fe (NO 3) 2 * 3H 2 O; a (99.0% Kanto Chemicals) 2- methyl-methanol (98.0%; Kanto Chemicals); was dissolved in (Kanto Chemicals 99.0%) and acetylacetone. The volume ratio of 2-methylmethanol and acetylacetone was 7: 3.

이어서, 500mg의 폴리 에틸렌 글리콜(PEG) 8000(폴리머 질량)(99.0%; Sigma Aldrich)을 10ml의 폴리머 바인더에 첨가하였다. 제조된 용액을 1시간 동안 초음파처리하여 균질하고, 불투명한 적색의 용액을 제조하였다.Then, 500 mg of polyethyleneglycol (PEG) 8000 (polymer mass) (99.0%; Sigma Aldrich) was added to 10 ml of polymer binder. The prepared solution was sonicated for 1 hour to prepare a homogeneous, opaque red solution.

이후, 2-메틸 메탄올(98.0 %; Kanto Chemicals)에 티타늄 원료물질인 0.5M Ti(IV) 프로폭시드(99%; Sigma Aldrich)가 용해된 용액을 첨가하여 제2전구체 용액을 제조하였다. 이때 0.5% Ti 농도를 위하여 Fe:Ti 원자비가 0.995:0.005(1:0.005025)가 되도록 첨가하였다. 제2용매는 2-메틸 메탄올(98.0%; Kanto Chemicals) 및 아세틸 아세톤(99.0%; Kanto Chemicals)이 혼합된 형태일 수 있다.Then, a second precursor solution was prepared by adding a solution in which 0.5 M Ti (IV) propoxide (99%; Sigma Aldrich), a titanium raw material, was dissolved in 2-methylmethanol (98.0%; Kanto Chemicals). At this time, for the 0.5% Ti concentration, the Fe: Ti atomic ratio was adjusted to be 0.995: 0.005 (1: 0.005025). The second solvent may be a mixture of 2-methylmethanol (98.0%; Kanto Chemicals) and acetylacetone (99.0%; Kanto Chemicals).

제2전구체 용액 6mL를 FTO 유리(2cm x 2.5cm) 상에 적하하고, Ar 분위기에서 15분 동안 건조하였다. 전구체막의 색이 연보라색이 될 때까지 Ar 분위기에서 10분 동안 80℃에서 예열하고, 노에서 10분동안 500℃에서 열처리하였다.6 mL of the second precursor solution was dropped onto FTO glass (2 cm x 2.5 cm) and dried in an Ar atmosphere for 15 minutes. The precursor film was preheated at 80 DEG C for 10 minutes in an Ar atmosphere until the color of the film became light purple, and heat-treated at 500 DEG C for 10 minutes in a furnace.

원하는 제2광흡수층을 얻기 위하여 상기 공정을 3번 반복하고, 최종적으로 500℃에서 75분 동안 어닐링하였다.The above process was repeated three times to obtain the desired second light absorbing layer, and finally annealed at 500 DEG C for 75 minutes.

TiO2를 포함하는 표면처리층을 형성시키기 위해 제3용매인 2-메틸 메탄올 (98.0%; Kanto Chemicals)에 산화티타늄 원료물질인 0.05M 티타늄 옥시 아세틸아세토네이트(90%; Sigma Aldrich)이 용해된 코팅액을 이용하였다.(90%; Sigma Aldrich), which is a raw material of titanium oxide, was dissolved in a third solvent, 2-methylmethanol (98.0%; Kanto Chemicals), to form a surface treatment layer containing TiO 2 Coating solution was used.

제2광흡수층 상에 코팅액을 스핀 코팅(1000rpm, 20초, 2배)으로 코팅하고, 500℃에서 10분 동안 가열하였다.The coating liquid was coated on the second light absorbing layer by spin coating (1000 rpm, 20 seconds, 2 times) and heated at 500 캜 for 10 minutes.

다음으로, 표면처리층 상에 Ni2FeOx, Ni3FeOx 및 NiFeOx를 포함하는 제2조효소층을 증착하기 위하여 Berlinguette등을 따라 단일 용액 방법을 이용하였다. Ni(NO3)2*3H2O(99.0%; Sigma Aldrich) 및 Fe(NO3)2*3H2O(99.0%; Kanto Chemicals)의 전구체 용액들을 제4용매인 2-메틸 메탄올(98.0%; Kanto Chemicals)을 이용하여 혼합액을 제조하고, 적합한 비율의 Ni:Fe 혼합물을 제조하였다.Next, a single solution method was used according to Berlinguette et al. To deposit a second coarse layer containing Ni 2 FeO x , Ni 3 FeO x and NiFeO x on the surface treatment layer. Precursor solutions of Ni (NO 3 ) 2 * 3H 2 O (99.0%; Sigma Aldrich) and Fe (NO 3 ) 2 * 3H 2 O (99.0%; Kanto Chemicals) ; Kanto Chemicals), and a suitable ratio of Ni: Fe mixture was prepared.

혼합액을 0.01M의 농도로 희석하였다. 전기촉매의 증착을 위하여 1mL의 혼합 액을 표면처리층 상에 적하하고, 공기 중에 건조한 후, 0.1M KOH으로 10초 동안 세정하였다.The mixed solution was diluted to a concentration of 0.01M. For the deposition of the electrocatalyst, 1 mL of a mixed solution was dropped on the surface treatment layer, dried in air, and then rinsed with 0.1 M KOH for 10 seconds.

선택적으로, pH 7의 0.3 mM Co(NO3)2*6H2O(≥98%; Aldrich) 및 100ml의 0.5 M 포타슘 포스페이트(KHPO4) 내에서 0.4V(Ag/AgCl)에서 조명(100mW/cm2)을 이용하여 광-보조 전착(PED)에 의해 제2조효소층 상에 Co-Pi를 증착하였다. 증착(15uA/cm2) 동안에 매우 적은 증착 광전류를 관찰하였고, 120초동안 증착을 실시하였다. BiVO4에서 이용된 동일한 조건에서 단 더 높은 전위 0.45V(Ag/AgCl)에서 PED에 의하여 FeOOH를 증착하였다.Alternatively, 0.3 mM Co of pH 7 (NO 3) 2 * 6H 2 O (≥98%; Aldrich) and 100ml of 0.5 M potassium phosphate (KHPO 4) lit from 0.4V (Ag / AgCl) in the (100mW / cm &lt; 2 &gt;) was deposited on the second co-enzyme layer by photo-assisted electrodeposition (PED). Very little deposition photocurrent was observed during deposition (15 uA / cm 2 ) and deposition was performed for 120 seconds. Under the same conditions used in BiVO 4 , only FeOOH was deposited by PED at a higher potential of 0.45 V (Ag / AgCl).

한편, 제1광흡수층을 형성시키는 과정에서는 제1전도성 기판 상에 적하하는 제1전구체 용액의 부피는 10㎕ 초과, 80㎕ 미만일 수 있다.On the other hand, in the process of forming the first light absorbing layer, the volume of the first precursor solution dropped onto the first conductive substrate may be more than 10 μl and less than 80 μl.

BiVO4 및 Fe2O3의 최적화를 위해 두 층의 광수확 양을 측정하였다. 금속 산화물의 양의 적을수록 광 투과가 더 클것이나 광 수확 효율(light harvesting efficiency, LHE)이 낮다. 도 10(e)에서와 같이, 사용된 제1전구체 용액 부피가 80㎕ 이상일 경우, 광투과율이 좋지 못하고, 10㎕ 이하일 경우, LHE가 좋지 못하다.For optimization of BiVO 4 and Fe 2 O 3 , the light harvesting amount of two layers was measured. The lower the amount of metal oxide, the larger the light transmission but the lower the light harvesting efficiency (LHE). As shown in FIG. 10 (e), when the volume of the first precursor solution used is 80 μl or more, the light transmittance is not good. When the volume of the first precursor solution is 10 μl or less, LHE is poor.

도 15에서 확인할 수 있듯이, BiVO4에서 물질 제조를 위한 80㎕의 제1전구체 용액 사용은 투과도와 시각적 탁도를 급격히 저하시켰다. 반면에, 가장 높은 광전류가 나오는 동안(1.23VRHE에서 5.40mA/cm2) 크게 저지된 투과도가 Fe2O3에서 크게 감소된 광전류를 보였는데 이는 광자 흡수 및 투과가 유효한 HDP를 실현하는데 엄밀한 균형을 가진다는 것을 보여준다.As is found in 15, the first precursor solution used for the material prepared in the 80㎕ BiVO 4 is the transmittance was rapidly reduced and visual turbidity. On the other hand, while the highest photocurrent (5.40 mA / cm 2 at 1.23 V RHE ) greatly suppressed the photocurrent in Fe 2 O 3 , the photocurrent was shown to be a precise balance in achieving effective HDP with photon absorption and transmission .

도 16의 정규 곡선에서 확인할 수 있듯이, 충분히 투명한 BiVO4을 사용하여 Fe2O3에서 더 큰 광전류를 보였는데 BiVO4의 청색 쉬프트가 발생하였다. 이는 너무 작은 크기의 BiVO4로부터 온 것이며, 비록 BiVO4의 유효 영역에서 다량의 흡수량을 보여 준다 하더라도 BiVO4의 유효 영역을 500nm 이하(60㎕ 경우의 최적 상태와 비교)로 더 제한하도록 쉬프트 시킬 것이다.As can be seen from the normal curve of FIG. 16, a larger photocurrent was observed in Fe 2 O 3 using BiVO 4 which was sufficiently transparent, resulting in a blue shift of BiVO 4 . This will too would come from the small amount of BiVO 4, although a large amount shows the amount of water absorption in the active region of BiVO 4 shifted even more to limit the effective area of BiVO 4 to 500nm or less (as compared to the optimal level in the case 60㎕) .

물 전기분해 시스템Water electrolysis system

본 발명에 따른 물 전기분해 시스템은 전해질에 침지된 복수의 광전극, 전해질에 침지된 상대전극 및 태양전지를 포함하며, 복수의 광전극은 태양전지의 제1전극과 전기적으로 병렬 연결되고, 상대전극은 태양전지의 제2전극과 전기적으로 연결된다.A water electrolysis system according to the present invention includes a plurality of photoelectrodes immersed in an electrolyte, a counter electrode immersed in an electrolyte, and a solar cell, wherein the plurality of photoelectrodes are electrically connected in parallel with the first electrode of the solar cell, The electrode is electrically connected to the second electrode of the solar cell.

제1전극이 복수의 광전극과 전기적으로 연결되고, 제2전극이 상대전극과 전기적으로 연결된 태양전지의 존재는 자발적으로 물을 분리하는 충분한 바이어스 광전압을 생성하는데 필요하다.The presence of the solar cell in which the first electrode is electrically connected to the plurality of photoelectrons and the second electrode is electrically connected to the counter electrode is necessary to generate a sufficient bias light voltage to spontaneously separate the water.

복수의 광전극이 빛을 조사받으면 광전극에서 전자와 정공(수소이온)이 생성되며, 산소가 발생한다. 복수의 광전극은 홀 전달측인 태양전지의 제1전극과 전기적으로 병렬 연결되므로 각각의 광전극에서 생성된 전자는 태양전지의 제1전극으로 전달된다. 전자는 전자 전달측인 태양전지의 제2전극으로부터 상대전극으로 전달되고, 상대전극에서 수소이온이 환원되어 수소가 발생한다.When a plurality of photoelectrodes are irradiated with light, electrons and holes (hydrogen ions) are generated in the photoelectrode, and oxygen is generated. The plurality of photoelectrodes are electrically connected in parallel with the first electrode of the solar cell, which is the hole transferring side, so that the electrons generated in the respective photoelectrodes are transferred to the first electrode of the solar cell. The electrons are transferred from the second electrode of the solar cell, which is the electron transfer side, to the counter electrode, and the hydrogen ions are reduced from the counter electrode to generate hydrogen.

복수의 광전극은 빛이 조사되는 방향을 기준으로, 전방부터 밴드갭 에너지가 큰 순서로 배치될 수 있다.The plurality of photoelectrodes may be arranged in the order of increasing band gap energy from the front with reference to the direction in which the light is irradiated.

복수의 광전극은 제1광전극 및 제1광전극보다 장파장의 빛을 흡수하는 제2광전극을 포함하며, 제2광전극의 일면에는 제1광전극이 절연 부착되고, 제2광전극의 타면에는 태양전지의 제2전극이 절연 부착될 수 있다.The plurality of photoelectrodes include a first photoelectrode and a second photoelectrode that absorbs light of a longer wavelength than the first photoelectrode. The first photoelectrode is insulated on one surface of the second photoelectrode, And the second electrode of the solar cell may be insulated on the other surface.

태양전지는 실리콘 태양전지, 염료 감응형 태양전지, 화합물 반도체 태양전지 및 적층형 태양전지 중에서 선택될 수 있다.The solar cell can be selected from a silicon solar cell, a dye-sensitized solar cell, a compound semiconductor solar cell, and a laminated solar cell.

제1광전극, 제2광전극 및 태양전지가 서로 부착되어 일체를 이루는 모놀리식(monolithic) 탠덤 셀(tandem cell)이 제조될 수 있다. 태양전지의 경우, c-Si 태양 전지가 이용될 수 있으며, 직렬 연결된 두 개의 소형 c-Si 태양 전지가 이용될 수 있다. c-Si 태양 전지의 제1전극은 Al을 포함할 수 있고, 제2전극은 ITO로 구성될 수 있다.A monolithic tandem cell in which the first optical electrode, the second optical electrode and the solar cell are attached to each other can be manufactured. In the case of solar cells, c-Si solar cells can be used, and two small c-Si solar cells connected in series can be used. The first electrode of the c-Si solar cell may include Al, and the second electrode may be composed of ITO.

제1광전극은 제2광전극의 일면과 글루를 통해 절연 부착될 수 있다. 태양전지의 제2전극은 제2광전극의 타면과 글루를 통해 절연 부착될 수 있다.The first optical electrode may be insulated from one side of the second optical electrode through a glue. The second electrode of the solar cell can be insulated from the other surface of the second optical electrode through the glue.

구체적으로, 제1광전극의 제1전도성 기판과 제2광전극의 제2조효소층이 글루를 통해 절연 부착될 수 있다. 또한, 태양전지의 제2전극과 제2광전극의 제2전도성 기판이 글루를 통해 절연 부착될 수 있다.Specifically, the first coarse substrate of the first optical electrode and the second coarse layer of the second optical electrode can be insulated through the glue. In addition, the second conductive substrate of the second electrode and the second electrode of the solar cell may be insulated through the glue.

구리 시트 또는 구리 배선을 통해 제1광전극 및 제2광전극 각각이 태양전지의 제1전극과 전기적으로 연결될 수 있고, 상대전극이 태양전지의 제2전극과 전기적으로 연결될 수 있다.Each of the first and second photoelectrodes may be electrically connected to the first electrode of the solar cell through a copper sheet or copper wiring, and the counter electrode may be electrically connected to the second electrode of the solar cell.

전방으로부터 조사된 빛은 제1광전극에 흡수되며, 제1광전극을 통과한 빛은 제2광전극 및 태양전극에 차례로 흡수된다.Light radiated from the front is absorbed by the first optical electrode, and light passing through the first optical electrode is absorbed in turn into the second optical electrode and the solar electrode.

도 9(b) 및 도 10(a)에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 물 전기분해 시스템에서 최적화된 두 개의 광전극을 이용함으로써 빛이 조사되는 방향을 기준으로, 전방부터 BiVO4(H, 1% Mo:BiVO4)을 포함하는 제1광전극, 후방의 Fe2O3(H, TiO2/0.5% Ti:Fe2O3)을 포함하는 제2광전극을 위치시켜 BiVO4||Fe2O3으로 표현되는 HDP를 제조하였다.As shown in FIGS. 9 (b) and 10 (a), by using two optical electrodes optimized in the water electrolysis system of the present invention, BiVO 4 (H, 1 % Mo: first optical electrode comprising BiVO 4), the rear Fe 2 O 3 (H, TiO 2 /0.5% Ti: by placing a second optical electrode comprising an Fe 2 O 3) BiVO 4 || Fe 2 O 3 .

도 10(b)에서 확인할 수 있듯이, BiVO4을 포함하는 단일 광전극, Fe2O3을 포함하는 단일 광전극 및 BiVO4||Fe2O3 HDP는 모두 고도로 투명한데 BiVO4을 포함하는 단일 광전극은 550 nm에서 75%, Fe2O3을 포함하는 단일 광전극은 650 nm에서 70%, 그리고 HDP는 650nm에서 50%의 투과율을 가진다.As is found in 10 (b), a single photo-electrode, Fe single optical electrode including the 2 O 3 and Fe 2 O 3 BiVO 4 || HDP is highly transparent both together comprising a single BiVO 4 containing BiVO 4 The photoelectrode has a transmittance of 75% at 550 nm, a single light electrode containing Fe 2 O 3 at 70% at 650 nm, and a transmittance of 50% at 650 nm for HDP.

따라서 입사광 50% 이상은 HDP 후방에 위치한 태양전지(이중 c-Si)에서 사용 가능하며, 이는 자발적으로 물을 분리하는 충분한 바이어스 광전압을 생성한다.Thus, more than 50% of the incident light can be used in solar cells (dual c-Si) located behind the HDP, which generates a sufficient bias photovoltage to spontaneously separate the water.

HDP는 실제 태양광을 이용한 물 전기분해 시스템에 성공적으로 적용하여야 한다, 따라서 도 17(a)와 같이, HDP BiVO4||Fe2O3 광전극 뒤에 박막 c-Si 태양 전지를 집적하여 제조된 탠덤 셀 형태의 비편향 태양광 물 전기분해 시스템으로 입증하였다.HDP must be successfully applied to a water electrolysis system using actual solar light. Therefore, as shown in FIG. 17 (a), a thin film c-Si solar cell is manufactured by integrating a HDP BiVO 4 || Fe 2 O 3 optical electrode It has been proven by a tandem cell type non-biased solar water electrolysis system.

또한, 도 17(b) 및 도 18과 같이, 모놀리식(monolithic) 탠덤 셀 형태의 물 전기분해 시스템을 제조하였다. 모놀리식 소자는 소형 또는 이동식 응용 소자에 있어서 단순성과 융통성을 지닌다. 최후방 흡수체로서 약 1.2V의 광전압을 갖는 두 개의 평행한 c-Si 태양전지를 이용함으로써 이 시스템은 "Q6" 시스템, 즉 H2 분자의 생산을 위해 6개의 광자를 필요로 하는 4중 흡수체로 분류된다.In addition, as shown in Fig. 17 (b) and Fig. 18, a water electrolysis system in the form of a monolithic tandem cell was manufactured. Monolithic devices have simplicity and flexibility in small or mobile applications. By using two parallel c-Si solar cells with a photovoltage of about 1.2 V as the ultimate absorber, this system can be used in a "Q6" system, ie a quadruple absorber requiring six photons for the production of H 2 molecules .

물 전기분해 시스템 제조방법Manufacturing method of water electrolysis system

본 발명에 따른 물 전기분해 시스템 제조방법은 복수의 광전극을 준비하는 단계, 상대전극을 준비하는 단계 및 복수의 광전극 및 상대전극을 전해질에 침지시키고, 복수의 광전극을 태양전지의 제1전극과 전기적으로 병렬 연결하고, 상대전극을 태양전지의 제2전극과 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a water electrolysis system according to the present invention includes the steps of preparing a plurality of photoelectrodes, preparing a counter electrode, dipping a plurality of photoelectrodes and a counter electrode in an electrolyte, And electrically connecting the counter electrode to the second electrode of the solar cell.

복수의 광전극을 준비하는 단계는 제1전도성 기판 상에 제1광흡수층을 위치시켜 제1광전극을 준비하는 단계 및 제2전도성 기판 상에 제2광흡수층을 위치시켜 제2광전극을 준비하는 단계를 포함할 수 있다.Preparing the plurality of photoelectrodes includes the steps of preparing a first photoelectrode by placing a first photoabsorption layer on a first conductive substrate, preparing a second photoabsorption layer by placing a second photoabsorption layer on the second conductive substrate, .

한편, 모놀리식 탠덤 셀 형태로 제조하기 위해 제2광전극을 준비하는 단계 이후에는 제1전도성 기판과 상기 제2광흡수층을 절연 부착하고, 제2전도성 기판과 제2전극을 절연 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, after the step of preparing the second optical electrode for manufacturing the monolithic tandem cell, the first conductive substrate and the second light absorbing layer are insulated from each other, and the second conductive substrate and the second electrode are insulated from each other As shown in FIG.

[물 전기분해 시스템의 제조예][Production Example of Water Electrolysis System]

HDP 및 c-Si 태양 전지를 갖는 탠덤 셀을 제조한다. HDP를 구성하는 제1광전극 및 제2광전극은 상기의 [제1광전극의 제조예] 및 [제2광전극의 제조예]에 따라 마련한다.HDP and c-Si solar cells. The first optical electrode and the second optical electrode constituting the HDP are prepared in accordance with the production example of the first optical electrode and the production example of the second optical electrode described above.

상대전극은 에탄올에 희석된 0.5 mM H2PtCl6*6H2O(99%; Aldrich)을 FTO 상에 스핀 코팅(1000rpm, 10초)하고, 450℃에서 30분 동안 어닐링하여 Pt/FTO(1.0 cm2)을 제조하였다.The counter electrode was prepared by spin coating (1000 rpm, 10 seconds) 0.5 mM H 2 PtCl 6 * 6H 2 O (99%; Aldrich) diluted in ethanol on FTO and annealing at 450 ° C. for 30 minutes to obtain Pt / FTO cm &lt; 2 &gt;).

태양전지의 경우, c-Si 태양 전지를 소형 조각으로 절단하고, 전기적으로 연결하여 마련한다. 각각 제1전극(홀 전달측) 및 ITO으로 구성된 제2전극(전자 전달측) 를 갖는 두 조각의 c-Si를 Al를 포함하는 Ag 페이스트를 이용하여 연결하였다. 두 조각의 면적은 0.30cm2(0.5cm x 0.6cm)이었다.In the case of solar cells, c-Si solar cells are cut into small pieces and electrically connected. Two pieces of c-Si having a first electrode (hole transfer side) and a second electrode (electron transfer side) composed of ITO were connected using an Ag paste containing Al. The area of the two pieces was 0.30 cm 2 (0.5 cm x 0.6 cm).

다음으로, 제1광전극, 제2광전극 및 태양전지를 글루를 통해 부착하여 일체를 형성하도록 한다. 제1광전극은 제2광전극의 일면과 글루를 통해 절연 부착하고, 제1광전극과 제2광전극의 거리는 글루를 이용하여 0.3cm으로 조절할 수 있다. 태양전지의 제2전극은 제2광전극의 타면과 글루를 통해 절연 부착될 수 있다.Next, the first optical electrode, the second optical electrode, and the solar cell are attached through a glue to form an integral body. The first optical electrode is insulated from one side of the second optical electrode through a glue, and the distance between the first optical electrode and the second optical electrode can be adjusted to 0.3 cm using a glue. The second electrode of the solar cell can be insulated from the other surface of the second optical electrode through the glue.

구체적으로, 제2광전극의 일면은 제2광흡수층일 수 있고, 제1광전극의 제1전도성 기판과 부착될 수 있다. 제2광전극의 타면은 제2전도성 기판일 수 있고, 태양전지의 제2적극과 부착될 수 있다.Specifically, one surface of the second light electrode may be a second light absorbing layer, and may be attached to the first conductive substrate of the first light electrode. The other surface of the second optical electrode may be a second conductive substrate and may be attached to the second active electrode of the solar cell.

이후, 구리 배선을 이용해 제1광전극 및 제2광전극 각각을 태양전지의 제1전극과 전기적으로 병렬 연결하고, 상대전극을 태양전지의 제2전극과 전기적으로 연결한다.Then, the first and second photoelectrodes are electrically connected in parallel with the first electrode of the solar cell using a copper wiring, and the counter electrode is electrically connected to the second electrode of the solar cell.

이하 본 발명의 구체적인 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 구체적인 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, specific examples of the present invention will be described. However, the following examples are only a concrete example of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example  And 비교예Comparative Example

[희생제가 포함된 광전지화학 셀의 제조][Preparation of photoelectrochemical cell containing sacrificial agent]

상대전극은 에탄올에 희석된 0.5 mM H2PtCl6*6H2O(99%; Aldrich)을 FTO 상에 스핀 코팅(1000rpm, 10초)하고, 450℃에서 30분 동안 어닐링한 Pt/FTO(1.0 cm2)을 사용하였다. 전해질은 희생제(0.5M KPi + 0.5M Na2SO3)를 함유한 수용액을 사용하였다.The counter electrode was prepared by spin-coating (1000 rpm, 10 seconds) 0.5 mM H 2 PtCl 6 * 6H 2 O (99%; Aldrich) diluted in ethanol on FTO and Pt / FTO annealed at 450 ° C. for 30 minutes cm &lt; 2 &gt;) was used. The electrolyte was an aqueous solution containing a sacrificial agent (0.5M KPi + 0.5M Na 2 SO 3 ).

상기의 [제1광전극의 제조예] 및 [제2광전극의 제조예]에 따라 BiVO4을 포함하는 단일 광전극, Fe2O3을 포함하는 단일 광전극, 전방에 BiVO4가 배치된 Fe2O3을 포함하는 단일 광전극 및 BiVO4||Fe2O3 HDP를 제조하여 각각의 광전지화학 셀을 제조하였다.A single optical electrode including BiVO 4 , a single optical electrode including Fe 2 O 3, and a single optical electrode including BiVO 4 disposed in front in accordance with the above-described [first production example of optical electrode] and [production example of second optical electrode] A single photoelectrode containing Fe 2 O 3 and BiVO 4 Fe Fe 2 O 3 HDP were prepared to fabricate each photochemical cell.

[성능평가][Performance evaluation]

아황산염의 광산화가 용이하므로 홀주입 효율(ηsurface)은 필수적으로 100%이다. 따라서 반도체-전해질 계면에 홀 주입의 임의의 문제를 피하면서도 광양극의 벌크 광활성을 비교할 수 있다.The hole injection efficiency (η surface ) is essentially 100% since it is easy to photo-oxidize the sulfite. Therefore, it is possible to compare the bulk photocathode of the photocathode while avoiding any problem of hole injection at the semiconductor-electrolyte interface.

도 10(c)에서 확인할 수 있듯이, BiVO4는 1.23VRHE에서 5.0±0.2mA/cm2의 광전류를, Fe2O3는 1.23VRHE에서 4.5±0.2mA/cm2의 광전류를, BiVO4 후방의 Fe2O3는 1.23VRHE에서 2.2±0.1mA/cm2의 광전류를, BiVO4||Fe2O3는 1.23VRHE에서 7.1±0.2mA/cm2의 광전류를 각각 얻었다.10 (c), BiVO 4 was photocurrent of 5.0 ± 0.2 mA / cm 2 at 1.23 V RHE , Fe 2 O 3 photocurrent of 4.5 ± 0.2 mA / cm 2 at 1.23 V RHE , BiVO 4 the rear Fe 2 O 3 is the photoelectric current of 2.2 ± 0.1mA / cm 2 at 1.23V RHE, BiVO 4 || Fe 2 O 3 was followed to obtain a photocurrent of 7.1 ± 0.2mA / cm 2 at 1.23V RHE respectively.

종합적으로, HDP는 단일 BiVO4 광전극의 광전류보다 약 29.3% 증가한 광전류를 보인다. 이는 BiVO4 및 BiVO4 후방의 Fe2O3에 의하여 생성된 광전류의 합과 거의 동일하며, 이는 HDP 개념이 확실히 작동하고 있음을 나타낸다.Overall, HDP exhibits a photocurrent of about 29.3% greater than the photocurrent of a single BiVO 4 photoelectrode. BiVO 4 And BiVO 4 Is nearly equal to the sum of the photocurrents generated by the rear Fe 2 O 3 , indicating that the HDP concept is definitely working.

또한, BiVO4||Fe2O3의 개시 전위는 0.2VRHE이며, 이는 단일 BiVO4 광전극과 동일하며, 단일 Fe2O3 광전극(0.4VRHE)보다 훨씬 낮다.Also, the starting potential of BiVO 4 Fe Fe 2 O 3 is 0.2 V RHE , which is a single BiVO 4 And is much lower than a single Fe 2 O 3 photoelectrode (0.4 V RHE ).

도 10(e)에서 단일 BiVO4 광전극의 IPCE는 300 내지 450nm의 범위에서 단일 Fe2O3 광전극의 IPCE보다 더 높으며, 이는 제1광흡수체층으로서 BiVO4가 타당함을 보여준다. BiVO4||Fe2O3 HDP의 IPCE는 BiVO4을 포함하는 제1광전극을 통과한 투과광이 Fe2O3을 포함하는 제2광전극을 통과함으로써 생성된 추가적인 광전류로 인해 95%까지 증가한다.In FIG. 10 (e), the IPCE of the single BiVO 4 photoelectrode is higher than the IPCE of the single Fe 2 O 3 photoelectrode in the range of 300 to 450 nm, which indicates that BiVO 4 is suitable as the first photoabsorber layer. BiVO 4 || Fe 2 O 3 The IPCE of the HDP increases to 95% due to the additional photocurrent generated by the transmission of the transmitted light passing through the first optical electrode containing BiVO 4 through the second optical electrode containing Fe 2 O 3 .

단일 BiVO4 광전극의 IPCE는 450 내지 510 nm 범위에서 감소된 광 수확 효율(light harvesting efficiency, LHE) 및 간접 밴드 전이(직접: 2.7eV, 간접: 2.4eV) 성질로 인하여 급격하게 떨어진다. 이것이 BiVO4의 이론적 최대 광전류(7.5 mA/cm2)가 단일 BiVO4 광흡수체로는 성취하기 어려운 중요한 이유이다.The IPCE of a single BiVO 4 photoelectrode drops sharply due to the reduced light harvesting efficiency (LHE) and indirect band transfer (direct: 2.7 eV, indirect: 2.4 eV) properties in the 450 to 510 nm range. This is a single BiVO 4 theoretical maximum photocurrent of the light absorber BiVO 4 (7.5 mA / cm 2 ) is an important reason is difficult to achieve.

그러나 Fe2O3은 추가 광흡수체로서 이 영역에서 투과광을 효율적으로 활용할 수 있다. 510 내지 610 nm 영역에서는 Fe2O3만이 HDP의 전체 성능에 기여한다. 이 영역에서의 IPCE 값이 510 nm에서보다 훨씬 낮더라도(20% 미만) 광전극에 의하여 이용될 수 있는 태양 에너지의 50% 이상이 이 영역에 있기 때문에 상기 효과는 매우 중요하다. Fe2O3의 이론적 최대 광전류는 약 13.6mA/cm2이고, 이의 거의 반은 500 내지 620nm 범위의 광자에서 온다. 따라서 이 영역은 HDP의 성능을 더욱 향상시키기 위하여 이용되어야 한다.However, Fe 2 O 3 is an additional light absorber and can effectively utilize transmitted light in this region. In the 510 to 610 nm region, only Fe 2 O 3 contributes to the overall performance of the HDP. This effect is very important because even though the IPCE value in this region is much lower than at 510 nm (less than 20%), more than 50% of the solar energy available by the photoelectrode is in this region. The theoretical maximum photocurrent of Fe 2 O 3 is about 13.6 mA / cm 2 , and almost half of it comes from photons in the 500 to 620 nm range. Therefore, this area should be used to further improve the performance of the HDP.

[비편향 광전지화학 셀의 제조][Manufacture of non-deflecting photovoltaic cell]

상대전극은 에탄올에 희석된 0.5 mM H2PtCl6*6H2O(99%; Aldrich)을 FTO 상에 스핀 코팅(1000rpm, 10초)하고, 450℃에서 30분 동안 어닐링한 Pt/FTO(1.0cm2)을 사용하였다. 전해질은 pH 9.2의 1.0M 비카르보네이트 KCi 용액을 사용하였다.The counter electrode was prepared by spin-coating (1000 rpm, 10 seconds) 0.5 mM H 2 PtCl 6 * 6H 2 O (99%; Aldrich) diluted in ethanol on FTO and Pt / FTO annealed at 450 ° C. for 30 minutes cm &lt; 2 &gt;) was used. The electrolyte was a 1.0M bicarbonate KCi solution of pH 9.2.

상기의 [제1광전극의 제조예] 및 [제2광전극의 제조예]에 따라 BiVO4을 포함하는 단일 광전극, Fe2O3을 포함하는 단일 광전극, 전방에 BiVO4가 배치된 Fe2O3을 포함하는 단일 광전극 및 BiVO4||Fe2O3 HDP를 제조하여 각각의 광전지화학 셀을 제조하였다.A single optical electrode including BiVO 4 , a single optical electrode including Fe 2 O 3, and a single optical electrode including BiVO 4 disposed in front in accordance with the above-described [first production example of optical electrode] and [production example of second optical electrode] A single photoelectrode containing Fe 2 O 3 and BiVO 4 Fe Fe 2 O 3 HDP were prepared to fabricate each photochemical cell.

[성능평가][Performance evaluation]

도 19(a)에서 확인할 수 있듯이, BiVO4는 1.23VRHE에서 5.0±0.1mA/cm2의 광전류를, Fe2O3는 1.23VRHE에서 4.0±0.2mA/cm2의 광전류를, BiVO4 후방의 Fe2O3는 1.23VRHE에서 2.0±0.1mA/cm2의 광전류를, BiVO4||Fe2O3는 1.23VRHE에서 7.0±0.2mA/cm2의 광전류를, 1.5VRHE에서 8.0±0.2mA/cm2의 광전류를 각각 얻었다.As shown in FIG. 19 (a), BiVO 4 was photocurrent of 5.0 ± 0.1 mA / cm 2 at 1.23 V RHE , Fe 2 O 3 photocurrent of 4.0 ± 0.2 mA / cm 2 at 1.23 V RHE , BiVO 4 to 2.0 ± photoelectric current of 0.1mA / cm 2 in the rear Fe 2 O 3 is 1.23V RHE, BiVO 4 || Fe 2 O 3 is the photoelectric current of 7.0 ± 0.2mA / cm 2 at 1.23V RHE, from 1.5V RHE 8.0 +/- 0.2 mA / cm &lt; 2 &gt;, respectively.

이러한 PED 성능은 안정한 금속 산화물 광전극에서 기록된 것 중 가장 높은 것을 나타낸다. 도 19(d) 및 도 20에서 확인할 수 있듯이, 상기 성능은 고도로 재현성이 있었으며, 광전류의 대부분은 물 분리에서 2H2 + O2 가스에서 나오며, 거의 완전한 패러데이 효율을 가진다). HDP는 도 19(e) 내지 도 19(g)의 작용 스펙트럼에 의하여 보인 바와 같은 물 분리에서 610nm까지의 가시광선을 활용하였다.This PED performance is the highest recorded on the stable metal oxide photoelectrode. As can be seen in FIG. 19 (d) and FIG. 20, the performance was highly reproducible, and most of the photocurrent was observed in 2H 2 + O 2 gas, with almost complete Faraday efficiency). HDP utilizes visible light up to 610 nm in water separation as shown by the action spectra of Figures 19 (e) -19 (g).

물 분리에서 광전류 및 IPCE는 희생 아황산 산화를 이용한 도 10에서의 값들과 유사한 값을 보여주는데 표면 전하 분리 효율(ηsurface)은 89 내지 100%를 나타낸다.In water separation, photocurrent and IPCE show values similar to those in FIG. 10 using sacrificial sulfurous acid oxidation, with surface charge separation efficiency (eta surface ) ranging from 89 to 100%.

[탠덤 셀 형태의 물 전기분해 시스템의 제조][Preparation of tandem cell type water electrolysis system]

상기의 [제1광전극의 제조예], [제2광전극의 제조예] 및 [물 전기분해 시스템의 제조예]에 따라 단일 BiVO4 광전극, 상대전극 및 c-Si 태양전지가 연결된 물 전기분해 시스템과, 단일 Fe2O3 광전극, 상대전극 및 c-Si 태양전지가 연결된 물 전기분해 시스템과, BiVO4||Fe2O3 HDP, 상대전극 및 c-Si 태양전지가 연결된 물 전기분해 시스템을 각각 제조하였다.A single BiVO 4 light electrode, a counter electrode, and a c-Si solar cell were connected in accordance with the above-mentioned [first production example of optical electrode], [production example of second optical electrode] An electrolysis system, a water electrolysis system in which a single Fe 2 O 3 optical electrode, a counter electrode and a c-Si solar cell are connected, and a BiVO 4 || Fe 2 O 3 HDP, a counter electrode, and a water electrolysis system to which a c-Si solar cell was connected, respectively.

[성능평가][Performance evaluation]

도 17(c)의 광전극 및 태양 전지의 성능 곡선의 교차점에서 확인할 수 있듯이, 단일 BiVO4 광전극이 연결된 물 전기분해 시스템은 4.5mA/cm2, 단일 Fe2O3 광전극이 연결된 물 전기분해 시스템은 3.2mA/cm2, BiVO4||Fe2O3 HDP가 연결된 물 전기분해 시스템은 6.3 mA/cm2의 예측된 작동 광전류를 생성한다.As Figure 17 (c) to determine the intersection of the performance curve of the photo-electrode and the solar cell, a single BiVO 4 water electrolysis system is connected photoelectrode is 4.5mA / cm 2, Fe 2 O 3 single photo-electrode is connected to electric water The decomposition system was 3.2 mA / cm 2 , BiVO 4 || Fe 2 O 3 The water electrolysis system to which HDP is connected produces a predicted working photocurrent of 6.3 mA / cm 2 .

이는 도 17(c), 도 21 및 도 22에서와 같이 각각 5.6%, 3.9% 및 7.7%의 태양-수소 전환 효율(ηSTH)에 각각 해당된다. 실제 물 전기분해 시스템은 이러한 예측된 값을 재현하고, 이는 안정한 금속 산화물 광전극을 이용한 비편향 태양광 물 전기분해 시스템에서 얻을 수 있는 가장 높은 ηSTH를 나타낸다.This corresponds to the solar-to-hydrogen conversion efficiency (? STH ) of 5.6%, 3.9% and 7.7%, respectively, as shown in Figs. 17 (c), 21 and 22, respectively. The actual water electrolysis system reproduces this predicted value, which represents the highest η STH obtained in a non-deflected solar water electrolysis system using a stable metal oxide photoelectrode.

물 전기분해 시스템의 지속적인 실행 동안 하락의 신호가 없었으며, 이는 도 17(d)에서 확인할 수 있듯이, 전해질로부터 태양 전지 성분의 완전한 격리를 나타낸다.There was no signal of a decline during the continuous running of the water electrolysis system, indicating complete isolation of the solar cell components from the electrolyte, as can be seen in Figure 17 (d).

본 발명은 상기 구현예 및/또는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 구현예 및/또는 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims and their equivalents. It will be understood that the invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or scope of the invention. It is therefore to be understood that the embodiments and / or the examples described above are illustrative in all aspects and not restrictive.

Claims (31)

전해질에 침지된 복수의 광전극; 및
상기 전해질에 침지된 상대전극;을 포함하며,
상기 복수의 광전극은 상기 상대전극과 전기적으로 병렬 연결된 광전기화학 셀.
A plurality of photoelectrodes immersed in an electrolyte; And
And a counter electrode immersed in the electrolyte,
Wherein the plurality of photoelectrodes are electrically connected in parallel to the counter electrode.
제1항에 있어서,
상기 복수의 광전극은,
각각 반도체를 포함하며,
빛이 조사되는 방향을 기준으로, 전방부터 상기 반도체의 밴드갭 에너지가 큰 광전극 순서로 배치된 광전기화학 셀.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of photoelectrodes comprise:
Each including a semiconductor,
A photoelectrochemical cell arranged in the order of photoelectrodes having a bandgap energy of the semiconductor from the front side with respect to a direction in which light is irradiated.
제1항에 있어서,
상기 복수의 광전극은,
각각 반도체를 포함하며,
모두 n type 반도체로 이루어진 조합 또는 모두 p type 반도체로 이루어진 조합으로 구성된 광전기화학 셀.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of photoelectrodes comprise:
Each including a semiconductor,
A photoelectrochemical cell comprising a combination of both n-type semiconductors or a combination of both p-type semiconductors.
제1항에 있어서,
상기 광전극은,
제1광전극; 및
상기 제1광전극보다 장파장의 빛을 흡수하는 제2광전극;을 포함하며,
상기 상대전극 방향으로부터 조사된 빛이 순차적으로 상기 제1광전극 및 제2광전극에 흡수되는 광전기화학 셀.
The method according to claim 1,
The photo-
A first optical electrode; And
And a second optical electrode that absorbs light of a longer wavelength than the first optical electrode,
Wherein light irradiated from the counter electrode direction is sequentially absorbed by the first photo-electrode and the second photo-electrode.
제3항에 있어서,
상기 제1광전극은,
제1전도성 기판; 및
상기 제1전도성 기판 상에 위치하는 제1광흡수층;을 포함하며,
상기 제1광흡수층은,
SiO2, TiO2, WO3, Fe2O3, SnO2, ZnO, ZrO2, In2O3, MoS2, BiVO4, SrTiO3, CaTiO3 및 KTaO3 중에서 선택되는 하나 이상의 반도체를 포함하는 광전기화학 셀.
The method of claim 3,
The first photoelectrode includes a first electrode,
A first conductive substrate; And
And a first light absorbing layer disposed on the first conductive substrate,
Wherein the first light absorbing layer
SiO 2, TiO 2, WO 3 , Fe 2 O 3, SnO 2, ZnO, ZrO 2, In 2 O 3, MoS 2, BiVO 4, SrTiO 3, comprising at least one semiconductor selected from the group consisting of CaTiO 3 and KTaO 3 Optoelectrochemical cell.
제5항에 있어서,
상기 제1전도성 기판은 FTO로 구성되고,
상기 제1광흡수층은 BiVO4를 포함하는 광전기화학 셀.
6. The method of claim 5,
Wherein the first conductive substrate is made of FTO,
The first light-absorbing layer including a photoelectric cell of BiVO 4.
제6항에 있어서,
상기 BiVO4는 Mo로 도핑되되,
Bi:(V+MO)의 원자비가 1:0.8 내지 1:1.2가 되도록 Mo이 도핑된 광전기화학 셀.
The method according to claim 6,
The BiVO 4 is doped with Mo,
Mo: Mo-doped so that the atomic ratio of Bi: (V + MO) is 1: 0.8 to 1: 1.2.
제5항에 있어서,
상기 제1광전극은,
상기 제1광흡수층 상에 위치하는 제1조효소층;을 더 포함하며,
상기 제1조효소층은,
FeOOH 및 NiOOH을 포함하는 광전기화학 셀.
6. The method of claim 5,
The first photoelectrode includes a first electrode,
And a first coenzyme layer disposed on the first light absorbing layer,
Wherein the first coenzyme layer comprises:
A photoelectrochemical cell comprising FeOOH and NiOOH.
제3항에 있어서,
상기 제2광전극은,
제2전도성 기판;
상기 제2전도성 기판 상에 위치하는 제2광흡수층;을 포함하며,
상기 제2광흡수층은,
SiO2, TiO2, WO3, Fe2O3, SnO2, ZnO, ZrO2, In2O3, MoS2, BiVO4, SrTiO3, CaTiO3 및 KTaO3 중에서 선택되는 하나 이상의 반도체를 포함하는 광전기화학 셀.
The method of claim 3,
The second photo-
A second conductive substrate;
And a second light absorbing layer disposed on the second conductive substrate,
Wherein the second light absorbing layer
SiO 2, TiO 2, WO 3 , Fe 2 O 3, SnO 2, ZnO, ZrO 2, In 2 O 3, MoS 2, BiVO 4, SrTiO 3, comprising at least one semiconductor selected from the group consisting of CaTiO 3 and KTaO 3 Optoelectrochemical cell.
제9항에 있어서,
상기 제2전도성 기판은 FTO로 구성되고,
상기 제2광흡수층은 Fe2O3을 포함하는 광전기화학 셀.
10. The method of claim 9,
The second conductive substrate is made of FTO,
Wherein the second light absorbing layer comprises Fe 2 O 3 .
제10항에 있어서,
상기 Fe2O3은 Ti로 도핑되되,
Fe:Ti의 원자비가 1:0.003 내지 1:0.007이 되도록 Ti가 도핑된 광전기화학 셀.
11. The method of claim 10,
Wherein the Fe 2 O 3 is doped with Ti,
Ti: doped such that the atomic ratio of Fe: Ti is 1: 0.003 to 1: 0.007.
제9항에 있어서,
상기 제2광전극은,
상기 제2광흡수층 상에 위치하며, TiO2를 포함하는 표면처리층;을 더 포함하는 광전기화학 셀.
10. The method of claim 9,
The second photo-
And a surface treatment layer located on the second light absorbing layer and comprising TiO 2 .
제12항에 있어서,
상기 제2광전극은,
상기 표면처리층 상에 위치하는 제2조효소층을 더 포함하며,
상기 제2조효소층은,
NiFeOx, Ni2FeOx 및 Ni3FeOx 중에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함하는 광전기화학 셀.
13. The method of claim 12,
The second photo-
And a second coenzyme layer positioned on the surface treatment layer,
Wherein the second coenzyme layer comprises:
NiFeO x , Ni 2 FeO x, and Ni 3 FeO x .
제1항에 있어서,
상기 전해질은 pH 9 내지 10의 중탄산 칼륨 수용액인 광전기화학 셀.
The method according to claim 1,
Wherein the electrolyte is a potassium bicarbonate solution having a pH of from 9 to 10.
복수의 광전극을 준비하는 단계;
상대전극을 준비하는 단계; 및
상기 복수의 광전극 및 상대전극을 전해질에 침지시키고, 상기 복수의 광전극을 상기 상대전극과 전기적으로 병렬 연결하는 단계;를 포함하는 광전기화학 셀 제조방법.
Preparing a plurality of photoelectrodes;
Preparing a counter electrode; And
And immersing the plurality of photoelectrodes and the counter electrode in an electrolyte, and electrically connecting the plurality of photoelectrons to the counter electrode electrically in parallel.
제15항에 있어서,
상기 복수의 광전극을 준비하는 단계는,
제1전도성 기판 상에 제1광흡수층을 위치시켜 제1광전극을 준비하는 단계; 및
제2전도성 기판 상에 제2광흡수층을 위치시켜 제2광전극을 준비하는 단계;를 포함하는 광전기화학 셀 제조방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the step of preparing the plurality of photoelectrodes comprises:
Placing a first light absorbing layer on a first conductive substrate to prepare a first photoelectrode; And
And preparing a second photoelectrode by positioning a second photoabsorption layer on a second conductive substrate.
제16항에 있어서,
상기 제1광전극을 준비하는 단계는,
비스무스 원료물질, 바나듐 원료물질, 몰리브덴 원료물질 및 제1용매를 혼합하여 제1전구체 용액을 제조하는 과정; 및
상기 제1전구체 용액을 FTO로 구성되는 상기 제1전도성 기판 상에 적하하고, 건조 및 열처리하여 제1광흡수층을 형성시키는 과정;을 포함하는 광전기화학 셀 제조방법.
17. The method of claim 16,
The step of preparing the first photo-
Preparing a first precursor solution by mixing a bismuth raw material, a vanadium raw material, a molybdenum raw material, and a first solvent; And
And dipping the first precursor solution on the first conductive substrate made of FTO, and drying and heat-treating the first precursor solution to form a first photoabsorption layer.
제17항에 있어서,
상기 제1광흡수층을 형성시키는 과정에서는,
상기 제1전도성 기판 상에 적하하는 상기 제1전구체 용액의 부피는 10㎕ 초과, 80㎕ 미만인 광전기화학 셀 제조방법.
18. The method of claim 17,
In the process of forming the first light absorbing layer,
Wherein the volume of the first precursor solution dropped onto the first conductive substrate is greater than 10 袖 l and less than 80 袖 l.
제17항에 있어서,
상기 제1광흡수층을 형성시키는 과정 이후에는,
수소화붕소 분해 방법을 이용하여 상기 제1광흡수층을 환원 처리하는 과정;을 더 포함하는 광전기화학 셀 제조방법.
18. The method of claim 17,
After the process of forming the first light absorbing layer,
And reducing the first light absorbing layer using a borohydride decomposition method.
제17항에 있어서,
상기 제1광흡수층을 형성시키는 과정 이후에는,
황산화철 용액 및 황산화니켈 용액을 상기 제1광흡수층 상에 증착하여 FeOOH 및 NiOOH을 포함하는 제1조효소층을 형성시키는 과정;을 더 포함하는 광전기화학 셀 제조방법.
18. The method of claim 17,
After the process of forming the first light absorbing layer,
And forming a first coenzyme layer containing FeOOH and NiOOH by depositing a solution of sulfur iron oxide and a solution of nickel sulfide on the first light absorbing layer.
제16항에 있어서,
상기 제2광전극을 준비하는 단계는,
철 원료물질, 티타늄 원료물질, 폴리머 바인더 및 제2용매를 혼합하여 제2전구체 용액을 제조하는 과정; 및
상기 제2전구체 용액을 FTO로 구성되는 상기 제2전도성 기판 상에 적하하고, 건조 및 열처리하여 제2광흡수층을 형성시키는 과정;을 포함하는 광전기화학 셀 제조방법.
17. The method of claim 16,
The step of preparing the second photo-
Preparing a second precursor solution by mixing an iron raw material, a titanium raw material, a polymer binder, and a second solvent; And
And dipping the second precursor solution on the second conductive substrate, which is made of FTO, followed by drying and heat treatment to form a second light absorbing layer.
제21항에 있어서,
상기 제2광흡수층을 형성시키는 과정 이후에는,
수소화붕소 분해 방법을 이용하여 상기 제2광흡수층을 환원 처리하는 과정;을 더 포함하는 광전기화학 셀 제조방법.
22. The method of claim 21,
After the process of forming the second light absorbing layer,
And reducing the second light absorbing layer using a borohydride decomposition method.
제21항에 있어서,
상기 제2광흡수층을 형성시키는 과정 이후에는,
산화 티타늄 원료물질 및 제3용매를 혼합하여 코팅액을 제조하는 과정; 및
상기 코팅액을 상기 제2광흡수층 상에 코팅하고, 열처리하여 표면처리층을 형성시키는 과정;을 더 포함하는 광전기화학 셀 제조방법.
22. The method of claim 21,
After the process of forming the second light absorbing layer,
A titanium oxide raw material and a third solvent to prepare a coating solution; And
Coating the coating liquid on the second light absorbing layer, and heat treating the coating liquid to form a surface treatment layer.
제23항에 있어서,
상기 표면처리층을 형성시키는 과정 이후에는,
질산화니켈, 질산화철 및 제4용매를 혼합하여 혼합액을 제조하는 과정; 및
상기 혼합액을 상기 표면처리층 상에 적하하고, 건조 및 열처리하여 제2조효소층을 형성시키는 과정;을 더 포함하는 광전기화학 셀 제조방법.
24. The method of claim 23,
After the process of forming the surface treatment layer,
A process for preparing a mixed solution by mixing nickel nitrate, nitric oxide and a fourth solvent; And
And dropping the mixed solution onto the surface treatment layer, followed by drying and heat treatment to form a second coenzyme layer.
전해질에 침지된 복수의 광전극;
상기 전해질에 침지된 상대전극; 및
태양전지;를 포함하며,
상기 복수의 광전극은 상기 태양전지의 제1전극과 전기적으로 병렬 연결되고,
상기 상대전극은 상기 태양전지의 제2전극과 전기적으로 연결된 물 전기분해 시스템.
A plurality of photoelectrodes immersed in an electrolyte;
A counter electrode immersed in the electrolyte; And
A solar cell,
Wherein the plurality of photoelectrodes are electrically connected in parallel to the first electrode of the solar cell,
And the counter electrode is electrically connected to the second electrode of the solar cell.
제25항에 있어서,
상기 복수의 광전극은,
빛이 조사되는 방향을 기준으로, 전방부터 밴드갭 에너지가 큰 순서로 배치된 물 전기분해 시스템.
26. The method of claim 25,
Wherein the plurality of photoelectrodes comprise:
A water electrolysis system in which the band gap energy is arranged in order from the front, with respect to the direction in which the light is irradiated.
제25항에 있어서,
상기 복수의 광전극은,
제1광전극; 및
상기 제1광전극보다 장파장의 빛을 흡수하는 제2광전극;을 포함하며,
상기 제2광전극의 일면에는 상기 제1광전극이 절연 부착되고,
상기 제2광전극의 타면에는 상기 태양전지의 제2극이 절연 부착되는 물 전기분해 시스템.
26. The method of claim 25,
Wherein the plurality of photoelectrodes comprise:
A first optical electrode; And
And a second optical electrode that absorbs light of a longer wavelength than the first optical electrode,
The first optical electrode is insulated on one surface of the second optical electrode,
And a second electrode of the solar cell is attached to the other surface of the second optical electrode.
제25항에 있어서,
상기 태양전지는,
실리콘 태양전지, 염료 감응형 태양전지, 화합물 반도체 태양전지 및 적층형 태양전지 중에서 선택되는 물 전기분해 시스템.
26. The method of claim 25,
In the solar cell,
A water electrolysis system selected from silicon solar cells, dye-sensitized solar cells, compound semiconductor solar cells, and laminated solar cells.
복수의 광전극을 준비하는 단계;
상대전극을 준비하는 단계; 및
상기 복수의 광전극 및 상대전극을 전해질에 침지시키고, 상기 복수의 광전극을 태양전지의 제1전극과 전기적으로 병렬 연결하고, 상기 상대전극을 상기 태양전지의 제2전극과 전기적으로 연결하는 단계;를 포함하는 물 전기분해 시스템 제조방법.
Preparing a plurality of photoelectrodes;
Preparing a counter electrode; And
The method comprising the steps of: immersing the plurality of photoelectrodes and the counter electrode in an electrolyte; electrically connecting the plurality of photoelectrodes to the first electrode of the solar cell in parallel; and electrically connecting the counter electrode to the second electrode of the solar cell &Lt; / RTI &gt;
제29항에 있어서,
상기 복수의 광전극을 준비하는 단계는,
제1전도성 기판 상에 제1광흡수층을 위치시켜 제1광전극을 준비하는 단계; 및
제2전도성 기판 상에 제2광흡수층을 위치시켜 제2광전극을 준비하는 단계;를 포함하는 물 전기분해 시스템 제조방법.
30. The method of claim 29,
Wherein the step of preparing the plurality of photoelectrodes comprises:
Placing a first light absorbing layer on a first conductive substrate to prepare a first photoelectrode; And
And preparing a second photoelectrode by placing a second light absorbing layer on the second conductive substrate.
제30항에 있어서,
상기 제2광전극을 준비하는 단계 이후에는,
상기 제1전도성 기판과 상기 제2광흡수층을 절연 부착하고, 상기 제2전도성 기판과 상기 제2전극을 절연 부착하는 단계;를 더 포함하는 물 전기분해 시스템 제조방법.
31. The method of claim 30,
After the step of preparing the second optical electrode,
Inserting the first conductive substrate and the second light absorbing layer in an insulating state, and insulating the second conductive substrate and the second electrode.
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