KR20190022277A - Photoelectrode comprising catalyst binding layer, preparing method for the photoelectrode, and photoelectrochemical cell comprising the photoelectrode - Google Patents

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

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Abstract

The present invention provides a photoelectrode including a catalyst maintaining layer, a manufacturing method thereof, and a photoelectrochemical cell including the photoelectrode. The photoelectrode comprises: an electrode formed on a substrate; a photoactive layer formed on the electrode and generating electrons by receiving light; a catalyst maintaining layer formed on the photoactive layer and improving mobility of the electrons; and a catalyst layer formed on the catalyst maintaining layer and containing a metal catalyst. The photoelectric conversion efficiency of the photoelectrode can be improved.

Description

촉매 유지층을 포함하는 광전극, 이의 제조 방법, 및 상기 광전극을 포함하는 광전기화학 셀{PHOTOELECTRODE COMPRISING CATALYST BINDING LAYER, PREPARING METHOD FOR THE PHOTOELECTRODE, AND PHOTOELECTROCHEMICAL CELL COMPRISING THE PHOTOELECTRODE}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a photoelectrode including a catalyst holding layer, a method of manufacturing the same, and a photoelectrochemical cell including the photoelectrode. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 >

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

최근, 친환경 자원에 대한 관심이 증가함에 따라, 태양광 및 물을 이용한 수소 및 산소 발생 시스템에 관한 연구가 진행되고 있다. Recently, as interest in environmentally friendly resources has increased, researches on hydrogen and oxygen generation systems using sunlight and water are underway.

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

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

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

아울러, 종래 캐소드용 광전극의 경우, 금속 촉매간의 서로 뭉치는 현상 (segregation)이 발생하고, 광 활성층으로부터 떨어져 나온 금속 촉매가 광전극 내부 또는 전해질 쪽으로 확산되어, 시간이 지남에 따라 광전극의 광전기화학적 특성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.In the case of the conventional photoelectrode for a cathode, segregation of metal catalysts occurs, and the metal catalyst separated from the photoactive layer diffuses into the photoelectrode or the electrolyte, and the photoelectrons Chemical properties may be deteriorated.

본원은, 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 촉매 유지층을 포함하는 광전극, 이의 제조 방법, 및 상기 광전극을 포함하는 광전기화학 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a photoelectrode including a catalyst holding layer, a method of manufacturing the same, and a photoelectrochemical cell including the photoelectrode.

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

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

본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 광전극; 상기 광전극에 전기적으로 연결된 상대 전극; 및 전해질을 포함하는, 광전기화학 셀을 제공한다.According to a second aspect of the present invention, there is provided an optical element comprising: a photoelectrode according to the first aspect of the present invention; A counter electrode electrically connected to the photoelectrode; And an electrolyte. ≪ IMAGE >

본원의 제 3 측면은, 기재 상에 전극을 형성하는 단계; 상기 전극 상에서 빛을 받아 전자를 생성하는 광 활성층을 형성하는 단계; 상기 광 활성층 상에서 상기 전자의 이동성을 향상시키는 촉매 유지층을 형성하는 단계; 및 상기 촉매 유지층 상에서 금속 촉매를 함유하는 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는, 캐소드용 광전극의 제조 방법으로서, 상기 촉매 유지층은 상기 촉매층에 함유된 금속 촉매를 바인딩(binding)하여, 상기 금속 촉매가 상기 촉매층으로부터 분리되는 것을 저감하는 것인, 캐소드용 광전극의 제조 방법을 제공한다.According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming an electrode on a substrate; Forming a photoactive layer that receives light on the electrode and generates electrons; Forming a catalyst holding layer for improving the mobility of electrons on the photoactive layer; And a step of forming a catalyst layer containing a metal catalyst on the catalyst holding layer, wherein the catalyst holding layer binds the metal catalyst contained in the catalyst layer to form the metal And the separation of the catalyst from the catalyst layer is reduced.

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

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

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

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present 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. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, the same reference numbers are used throughout the specification to refer to the same or like parts.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it is not limited to a case where it is "directly connected" but also includes the case where it is "electrically connected" do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is " on " another member, it includes not only when the member is in contact with the other member, but also when there is another member between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout this 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.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. The terms " about ", " substantially ", etc. used to the extent that they are used throughout the specification are intended to be taken to mean the approximation of the manufacturing and material tolerances inherent in the stated sense, Accurate or absolute numbers are used to help prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the referenced disclosure.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.The word " step (or step) " or " step " used to the extent that it is used throughout the specification does not mean " step for.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term " combination (s) thereof " included in the expression of the machine form means a mixture or combination of one or more elements selected from the group consisting of the constituents described in the expression of the form of a marker, Quot; means at least one selected from the group consisting of the above-mentioned elements.

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

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

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

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 캐소드용 광전극은 외부 광원으로부터 빛을 받아들이는 광 흡수층과 전해질로부터 광 흡수층을 보호하는 동시에 전하 전달 성능이 향상되고, 금속 촉매의 분리를 저감 또는 방지하는 촉매 유지층, 및 상기 광 흡수층으로부터 생성된 후 촉매 유지층을 통과하는 전자를 받아들여 전기화학적 반응이 일어나는 촉매층을 포함하는 광전극일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present invention, the photoelectrode for the cathode has a function of protecting the photoabsorption layer from the photoabsorption layer and the electrolyte that receives light from the external light source, and improving the charge transfer performance, And a catalyst layer that receives electrons passing through the post-catalyst holding layer generated from the light absorbing layer and undergoes an electrochemical reaction. However, the present invention is not limited thereto.

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

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

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광전극은 전극/광 활성층/버퍼층/촉매 유지층/촉매층 또는 전극/버퍼층/광 활성층/촉매 유지층/촉매층 의 적층 순서를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present invention, the photoelectrode may have a stacking order of an electrode / a photoactive layer / a buffer layer / a catalyst holding layer / a catalyst layer or an electrode / a buffer layer / a photoactive layer / a catalyst holding layer / .

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

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

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

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

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

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

예를 들어, 상기 촉매 유지층으로서 환원된 그래핀 옥사이드(rGO)를 사용하는 경우, 환원되지 않은 그래핀 옥사이드(GO)의 경우보다 환원된 그래핀 옥사이드(rGO)의 경우에 탄소 원자간 거리가 더 짧아짐으로써 전자의 이동성을 향상시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. For example, when the reduced graphene oxide (rGO) is used as the catalyst holding layer, the carbon atom distance is reduced in the case of reduced graphene oxide (rGO) than in the unreduced graphene oxide (GO) But the present invention is not limited thereto.

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

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

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

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

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 촉매층은 Pt, Co, Rh, Ir, Ru, Re, Au, Ag, Cu, Ni, Mo, Fe, Sn, Bi, Zn, Ga, Pb, Sn, Ti, In, Cd, W, Ta, Nb, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 원소를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present invention, the catalyst layer may be formed of one selected from the group consisting of Pt, Co, Rh, Ir, Ru, Re, Au, Ag, Cu, Ni, Mo, Fe, Sn, Bi, Zn, Ga, , Cd, W, Ta, Nb, and combinations thereof. However, the present invention is not limited thereto.

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

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

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

본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 광전극; 상기 광전극에 전기적으로 연결된 상대 전극; 및 전해질을 포함하는, 광전기화학 셀을 제공한다.According to a second aspect of the present invention, there is provided an optical element comprising: a photoelectrode according to the first aspect of the present invention; A counter electrode electrically connected to the photoelectrode; And an electrolyte. ≪ IMAGE >

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

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상대 전극 및 상기 전해질은 본원의 기술 분야인 광전극 활용 분야에서 일반적으로 통용되는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 상대 전극은 Au, Cu, Ag, Pt, Pd, Rh, Ir, Re, Ni, Co, Mo, Nb, IrOx, RuOx, PdOx, NiOx 전극일 수 있으며, 상기 전해질은 H+ 와 OH- 를 포함하는 pH 0 내지 14 사이의 값을 가지는 용액일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the invention, the counter electrode and the electrolyte may be those commonly used in the art of optical electrode applications. For example, the counter electrode is Au, Cu, Ag, Pt, Pd, Rh, Ir, Re, Ni, Co, Mo, Nb, IrOx, RuOx, PdOx, may be NiOx electrode, and the electrolyte is H + OH - , but it is not limited thereto.

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

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광전기화학 셀은 이산화탄소를 환원시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the invention, the photo-electrochemical cell may be, but not limited to, reducing carbon dioxide.

본원의 제 3 측면은, 기재 상에 전극을 형성하는 단계; 상기 전극 상에서 빛을 받아 전자를 생성하는 광 활성층을 형성하는 단계; 상기 광 활성층 상에서 상기 전자의 이동성을 향상시키는 촉매 유지층을 형성하는 단계; 및 상기 촉매 유지층 상에서 금속 촉매를 함유하는 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는, 캐소드용 광전극의 제조 방법을 제공한다.According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming an electrode on a substrate; Forming a photoactive layer that receives light on the electrode and generates electrons; Forming a catalyst holding layer for improving the mobility of electrons on the photoactive layer; And forming a catalyst layer containing a metal catalyst on the catalyst holding layer.

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

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

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

[[ 실시예Example ]]

<광전극의 제조>&Lt; Production of photoelectrode &

도 1은, 본원의 일 실시예에 있어서, 광전극의 전체 모식도를 나타낸 것이고, 도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, 광전극의 제조 방법을 나타낸 순서도로서, 도 2a는 전극/광 활성층/촉매 유지층/촉매층의 적층 구조를 가진 광전극을 제조하는 방법을, 도 2b는 전극/광 활성층/ 버퍼층/촉매 유지층/촉매층의 적층 구조를 가진 광전극을 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다.2 is a flowchart showing a method of manufacturing a photoelectrode according to an embodiment of the present invention. FIG. 2A is a cross-sectional view of the electrode / FIG. 2B is a flowchart illustrating a method of manufacturing a photoelectrode having a stacked structure of an electrode / a photoactive layer / a buffer layer / a catalyst holding layer / a catalyst layer.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

상기 스프레이 코팅 방식에 의하여 촉매 유지층이 형성됨으로써, 70℃의 낮은 공정 온도에서 비진공 방식으로 30분 내에 종료되기 때문에, 비용 절감 효과를 가지며 공정이 비교적 간단한 특징이 있다. 또한, 상기 촉매 유지층은 2~3 번 만의 스프레이 코팅(spray coating) 으로 형성이 되기 때문에, 수 원자 층(atomic layer) 단위로 형성이 되어 유리 기판과 거의 동일한 투과도를 가지게 되며, 이로 인하여 rGO 에 의한 입사광의 손실은 거의 무시될 수 있는 장점이 있다.Since the catalyst holding layer is formed by the spray coating method, the process is completed within 30 minutes in a non-vacuum process at a low process temperature of 70 캜. Also, since the catalyst holding layer is formed by spray coating only two or three times, it is formed in an atomic layer unit and has almost the same transmittance as the glass substrate. As a result, rGO The loss of incident light caused by the incident light can be almost neglected.

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

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

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

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

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

본 실시예에서는 촉매층(160)으로서 Pt촉매가 사용되었으며, 상기 촉매층(160)이 형성되는 단계는 다음과 같다.In this embodiment, a Pt catalyst is used as the catalyst layer 160, and the step of forming the catalyst layer 160 is as follows.

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

상기 촉매층을 형성하는 단계는, 진공 증착 방식으로서 스퍼터링(sputter deposition), 펄스 레이져 증착법(pulsed laser deposition), 원자층 증착법(atomic layer deposition), 분자선 에피탁시(molecular beam epitaxy) 또는 비진공 증착 방식으로서 전기도금(electrodeposition), 광전기도금(photodeposition) 등의 방식을 포함할 수 있다.The forming of the catalyst layer may be performed using a vacuum deposition method such as sputter deposition, pulsed laser deposition, atomic layer deposition, molecular beam epitaxy or non-vacuum deposition Such as electrodeposition, photodeposition, and the like.

<촉매 <Catalyst 유지층을The holding layer 포함하는  Included 광전극의The 특성> Characteristics>

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

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

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

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

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

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

표 1은, 도 5에 나타낸 비교예 및 실시예들의 전류 밀도 및 개시 전압값을 나타낸 것이다.Table 1 shows the current density and the starting voltage value of the comparative example and the example shown in Fig.

[표 1][Table 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

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

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

도 6a는 CIGS/CdS/Pt 광 캐소드, 도 6b는 CIGS/CdS/rGO-0.25/Pt 광 캐소드의 광전기화학적 안정성을 테스트(stability test) 한 것으로, 1 태양광(1 sun) 조건에서 일정한 포텐셜을 인가하여 광전류밀도의 변화를 측정하였다. LSV 의 측정 조건과 동일한 "potentiostat", 3 전극 시스템(three electrode system), 1 태양광(1 sun), 0.5 M 인산염 완충용액(phosphate buffer)의 조건하에서, 상온에서 교반없이 진행되었다. FIG. 6A is a CIGS / CdS / Pt optical cathode. FIG. 6B is a stability test of the photoelectrochemical stability of a CIGS / CdS / rGO-0.25 / Pt optical cathode. And the change of the photocurrent density was measured. The measurement was carried out at room temperature without agitation under the conditions of "potentiostat", three electrode system, 1 sun light, and 0.5 M phosphate buffer, which were the same as the measurement conditions of LSV.

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

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

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

도 7a는 CIGS/CdS/Pt 광 캐소드, 도 7b는 CIGS/CdS/rGO-0.25/Pt 광 캐소드의 크로노암페로메트리 수소 생성 반응 전 및 반응 후의 Pt 4f 의 강도(intensity)를 비교한 그래프이다.FIG. 7A is a graph comparing the intensities of Pt 4f before and after the chronoam ferrometric hydrogen generation reaction of the CIGS / CdS / Pt optical cathodes and FIG. 7B is the CIGS / CdS / rGO-0.25 / .

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

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

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

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

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

S : 분사 장치
100 : 광전극
110 : 기재
120 : 전극
130 : 광 활성층
140 : 버퍼층
150 : 촉매 유지층
152 : 환원된 그래핀 옥사이드 현탁액
160 : 촉매층
S: Injection device
100: photo electrode
110: substrate
120: Electrode
130: photoactive layer
140: buffer layer
150: catalyst holding layer
152: Reduced graphene oxide suspension
160: catalyst layer

Claims (12)

기재 상에 형성되는 전극;
상기 전극 상에 형성되고 빛을 받아 전자를 생성하는 광 활성층;
상기 광 활성층 상에 형성되고 상기 전자의 이동성을 향상시키는 촉매
유지층; 및
상기 촉매 유지층 상에 형성되고 금속 촉매를 함유하는 촉매층
을 포함하는, 캐소드용 광전극으로서,
상기 촉매 유지층은 상기 촉매층에 함유된 금속 촉매를 바인딩(bind)하여, 상기 금속 촉매가 상기 촉매층으로부터 분리되는 것을 저감하는 것인, 캐소드용 광전극.
An electrode formed on a substrate;
A photoactive layer formed on the electrode and receiving light to generate electrons;
A catalyst which is formed on the photoactive layer and improves the mobility of the electrons
A holding layer; And
A catalyst layer formed on the catalyst holding layer and containing a metal catalyst;
And a second electrode,
Wherein the catalyst holding layer binds the metal catalyst contained in the catalyst layer to reduce separation of the metal catalyst from the catalyst layer.
제 1 항에 있어서,
상기 광 활성층과 상기 촉매 유지층 사이 또는 상기 전극과 상기 광 활성층 사이에 버퍼층을 추가 포함하는, 캐소드용 광전극.
The method according to claim 1,
Further comprising a buffer layer between the photoactive layer and the catalyst holding layer or between the electrode and the photoactive layer.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매 유지층은 탄소질 재료를 포함하는 것인, 캐소드용 광전극.
The method according to claim 1,
Wherein the catalyst holding layer comprises a carbonaceous material.
제 3 항에 있어서,
상기 탄소질 재료는 환원된 그래핀 옥사이드(rGO) 또는 그래핀산화물(GO)을
포함하는 것인, 캐소드용 광전극.
The method of claim 3,
The carbonaceous material may include reduced graphene oxide (rGO) or graphene oxide (GO)
And the photoelectrode for the cathode.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매 유지층의 두께는 0.3 nm 내지 3 nm 인 것인, 캐소드용 광전극.
The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the catalyst holding layer is 0.3 nm to 3 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매층은 Pt, Co, Rh, Ir, Ru, Re, Au, Ag, Cu, Ni, Mo, Fe, Sn, Bi, Zn, Ga, Pb, Sn, Ti, In, Cd, W, Ta, Nb, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 원소를 포함하는 것인, 캐소드용 광전극.
The method according to claim 1,
The catalyst layer may be formed of one selected from the group consisting of Pt, Co, Rh, Ir, Ru, Re, Au, Ag, Cu, Ni, Mo, Fe, Sn, Bi, Zn, Ga, Pb, Sn, Ti, In, Cd, , And combinations thereof. &Lt; Desc / Clms Page number 24 &gt;
제 1 항에 있어서,
상기 촉매층은 나노입자(nanoparticle), 박막(thin film), 또는 3차원 나노구조체 (3D nanostructure) 형태인 것인, 캐소드용 광전극.
The method according to claim 1,
Wherein the catalyst layer is in the form of a nanoparticle, a thin film, or a 3D nanostructure.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 캐소드용 광전극;
상기 캐소드용 광전극에 전기적으로 연결된 상대 전극; 및
전해질
을 포함하는, 광전기화학 셀.
An optical device comprising: a photoelectrode for a cathode according to any one of claims 1 to 7;
A counter electrode electrically connected to the photoelectrode for the cathode; And
Electrolyte
And a second electrode.
제 8 항에 있어서,
상기 광전기화학 셀은 물을 분해하여 수소를 발생시키는 것인, 광전기화학 셀.
9. The method of claim 8,
Wherein the photoelectrochemical cell decomposes water to generate hydrogen.
제 8 항에 있어서,
상기 광전기화학 셀은 이산화탄소를 환원시키는 것인, 광전기화학 셀.
9. The method of claim 8,
Wherein the photo-electrochemical cell reduces carbon dioxide.
기재 상에 전극을 형성하는 단계;
상기 전극 상에서 빛을 받아 전자를 생성하는 광 활성층을 형성하는 단계;
상기 광 활성층 상에서 상기 전자의 이동성을 향상시키는 촉매 유지층을 형성하는 단계; 및
상기 촉매 유지층 상에서 금속 촉매를 함유하는 촉매층을 형성하는 단계;
를 포함하는, 캐소드용 광전극의 제조 방법으로서,
상기 촉매 유지층은 상기 촉매층에 함유된 금속 촉매를 바인딩(binding)하여, 상기 금속 촉매가 상기 촉매층으로부터 분리되는 것을 저감하는 것인,
캐소드용 광전극의 제조 방법.
Forming an electrode on the substrate;
Forming a photoactive layer that receives light on the electrode and generates electrons;
Forming a catalyst holding layer for improving the mobility of electrons on the photoactive layer; And
Forming a catalyst layer containing a metal catalyst on the catalyst holding layer;
A method of manufacturing a photoelectrode for a cathode,
Wherein the catalyst holding layer binds the metal catalyst contained in the catalyst layer to reduce separation of the metal catalyst from the catalyst layer.
A method of manufacturing a photoelectrode for a cathode.
제 11 항에 있어서,
상기 촉매 유지층을 형성하는 단계는 스프레이 코팅 방식을 포함하는 것인, 캐소드용 광전극의 제조 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the step of forming the catalyst holding layer includes a spray coating method.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113106472A (en) * 2021-04-01 2021-07-13 南京理工大学 For photoelectrocatalysis of CO2Super-structure plane photoelectrode for reduction reaction mechanism research
KR20210112778A (en) * 2020-03-06 2021-09-15 연세대학교 산학협력단 Photo-Electrode and the Fabrication Method Thereof
KR20220035082A (en) * 2019-12-30 2022-03-21 울산과학기술원 Photoelectrode for modulating charge separation efficiency, its manufacturing method and device for photoelectrochemical water splitting
KR20220119992A (en) * 2021-02-22 2022-08-30 광주과학기술원 Photoelectrochemical device and method of fabricating of the same
KR20230152892A (en) 2022-04-27 2023-11-06 한국과학기술원 Electrode for photoelectrochemical cell, method of manufacturing the same and photoelectrochemical cell comprising the same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230095433A (en) 2021-12-22 2023-06-29 문승환 Photoelectrochemical tungsten catalyst for hydrogen production using solar energy

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140021034A1 (en) * 2012-01-13 2014-01-23 California Institute Of Technology Solar fuels generator
JP2015520012A (en) * 2012-04-05 2015-07-16 コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ Method for preparing hydrogen generating catalyst, catalyst and method for using the same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140021034A1 (en) * 2012-01-13 2014-01-23 California Institute Of Technology Solar fuels generator
JP2015520012A (en) * 2012-04-05 2015-07-16 コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ Method for preparing hydrogen generating catalyst, catalyst and method for using the same

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Bonghyeong Koo등 Applied materials&interfaces. 2017.01.26. 9, pp.5279~5287 *
Hiromu kumagai등. Journal of materials chemistry A., 2015.03.12, 3, pp.8300~8307* *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220035082A (en) * 2019-12-30 2022-03-21 울산과학기술원 Photoelectrode for modulating charge separation efficiency, its manufacturing method and device for photoelectrochemical water splitting
KR20210112778A (en) * 2020-03-06 2021-09-15 연세대학교 산학협력단 Photo-Electrode and the Fabrication Method Thereof
KR20220119992A (en) * 2021-02-22 2022-08-30 광주과학기술원 Photoelectrochemical device and method of fabricating of the same
CN113106472A (en) * 2021-04-01 2021-07-13 南京理工大学 For photoelectrocatalysis of CO2Super-structure plane photoelectrode for reduction reaction mechanism research
KR20230152892A (en) 2022-04-27 2023-11-06 한국과학기술원 Electrode for photoelectrochemical cell, method of manufacturing the same and photoelectrochemical cell comprising the same

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