KR20190063962A - 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법 및 이에 따른 광전극 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법 및 이에 따른 광전극에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 기존 광전기화학 셀의 한계를 뛰어넘기 위하여 광전압이 낮은 실리콘 광전극에 슁글드 어레이 접합 방식을 도입하여 고전압, 고전류의 실리콘 광전극을 구현함으로써, 추가적인 전압 공급 없이 작동이 가능한 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법 및 이에 따른 광전극을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 제1도전형 반도체 기판에 제2도전형 불순물층이 도핑된 다수의 셀을 준비하는 단계; 상기 다수의 셀을 슁글드 어레이 접합 방식으로 접합하는 단계; 일측 단부의 셀에 전면 전극을 형성하고, 타측 단부의 셀에 후면 전극을 형성하는 단계; 및 상기 전면 전극을 제외한 나머지 셀의 전면에 투명 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법을 개시한다.

Description

슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법 및 이에 따른 광전극{Manufacturing method of high voltage photoelectricity for photoelectric chemical decantation using shingled array junction and high voltage photoelectricity thereof}
본 발명의 실시예는 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법 및 이에 따른 광전극에 관한 것이다.
현재 에너지 문제와 환경 문제를 해결하기 위한 많은 연구들이 세계 곳곳에서 활발하게 진행되고 있다. 그 중에서 신재생에너지 개발에 대한 연구가 단연 압도적인데, 신재생에너지는 부족한 화석연료를 대체할 수 있는 지속 재생가능한 에너지원으로서, 청정한 에너지 공급시스템으로 에너지 문제와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있을 것으로 전망되고 있다. 태양에너지, 풍력에너지, 지열에너지, 해양에너지, 바이오매스에너지, 수소에너지와 같은 신재생에너지원들이 효과적으로 생산되고 소비될 수 있는 시스템을 개발하기 위해서 정부와 기업들이 신재생 에너지 시스템 연구에 많은 연구가 진행중이다.
신재생에너지 중에서도 특히, 수소에너지(H2)는 풍부한 자원인 물(H2O)로부터 생산될 수 있어 지속가능하며, 연료로 사용 후에는 다시 물이 되므로 재생이 가능하다. 또한, 연소 시에 온실가스인 이산화탄소뿐만 아니라 황산가스(SOx), 질산가스(NOx), 분진 등과 같은 대기오염의 원인이 되는 물질들을 배출하지 않기 때문에 친환경적이다.
에너지밀도가 높아 같은 양의 다른 에너지원보다 훨씬 더 많은 에너지량을 얻을 수 있으며, 고압가스 또는 액체수소 형태로 이동시키기 쉽고, 수소저장합금 등을 이용하여 저장하기도 용이하다. 그래서 현재는 산업 전반에 걸쳐서 기초소재부터 수소자동차, 연료전지, 로켓연료 등에 이르기까지 여러 분야에서 이용되고 있으며 신재생 에너지원으로서 사회적으로 큰 관심을 받고 있다.
물의 전기분해는 아주 간단하고 신뢰성이 높으며 수소에너지의 대량 생산이 가능하다는 장점이 있지만, 물의 전기분해 시 사용되는 전기에너지의 비용이 높아 고가의 수소에너지를 생산한다.
따라서 저렴한 비용으로 물을 효과적으로 분해하기 위해 태양광에너지를 이용한 광전기효과를 사용하는 수소생산방법이 고안되었다.
광전기화학셀(Photoelectrochemical Cell)을 이용한 물 분해(Water Splitting) 방법은 1972년 도쿄대의 Fujishima교수와 Honda교수가 TiO2로 광자(photon)를 이용한 물의 분해반응에 대하여 보고한 이래 수십여 년 동안 연구가 진행되어 왔다.
광전기화학적으로 수소를 생산하는 기술은 태양전지(Solar Cell) 시스템의 목적과 유사하지만, 광자에 의해 발생한 전자정공쌍(Electron-Hole Pair; EHP)이 전기 생산을 유도하는 것이 아니라 물의 산화환원반응을 통하여 수소기체와 산소기체의 발생을 유도한다는 것에 차이가 있다.
위와 같이 광전기화학셀(PEC Cell)을 이용한 물분해를 통해서 무한한 태양광에너지와 지구의 풍부한 자원인 물을 이용하여 지속재생가능하고 청정한 시스템으로 수소에너지를 생산해낼 수 있다. 또한, 광전기화학셀을 이용한 물분해는 수소에너지와 더불어 산소를 생산하므로, 유기물분해와 정화작용에 이용할 수가 있으며, 오존으로 합성하여 적합한 곳에 응용도 가능하다.
광전기화학전지는 널리 알려진 태양전지와 메카니즘은 유사하지만 광전기화학전지의 경우는, 전자의 이동이 전기 생산을 유도하지 않고 직접 물의 환원에 의한 수소생산에 활용한다는 차이가 있다.
광전기화학전지를 구성하는 반도체산화물을 포함한 광전극은, 태양광을 흡수하여 전자-홀의 엑시톤(exciton)을 형성하며 상대전극과는 외부회로로 연결되어 있다. 두 전극은 수용액 전해질과 접촉하게 되어 있으며, 두 전극에서는 각각 물의 산화와 환원반응이 일어나게 되어 산소와 수소를 생산하게 된다. 만약 광전극이 n-type 반도체일 경우, 광전극에서는 산화반응으로 산소가, 상대전극에서는 환원반응이 유발되어 수소가 발생하게 된다. 만약 광전극이 p-type 반도체일 경우, 그 반대의 반응이 일어난다. 광전기화학 물분해 방법은 태양전지와 물분해 전해조를 동시에 사용해야 하는 기존의 고비용 시스템을 사용하지 않고 수소에너지를 제조할 수 있는 방법이다.
일반적으로 물분해 에너지(1.23 eV) 이상의 밴드갭을 갖는 무기 반도체를 이용하여 광전기화학 물분해 셀을 제조할 수 있으나 TiO2, WO3와 같은 단층 무기물로 제조된 셀의 경우, UV 파장을 주로 흡수하기 때문에 태양광-수소 전환 효율이 1% 미만으로 매우 낮다. 주로 밴드갭이 2.5 eV 이상인 SrTiO3, TiO2, WO3 등이 주된 재료로 사용되고 있으나, 밴드갭이 2.5 eV 이상인 재료들은 주로 태양광의 4% 미만을 차지하는 자외선 파장 흡수하여 홀과 전자를 만들어 내기 때문에 태양-수소 에너지전환 효율이 매우 낮아 경제적이지 못하다.
또한 생성된 전자/홀 쌍이 빠르게 재조합되고 역반응이 쉽게 일어나며 가시광선에 의한 무기 반도체의 활성화가 낮다는 문제점이 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 기존 광전기화학 셀의 한계를 뛰어넘기 위하여 광전압이 낮은 실리콘 광전극에 슁글드 어레이 접합 방식을 도입하여 고전압, 고전류의 실리콘 광전극을 구현함으로써, 추가적인 전압 공급 없이 작동이 가능한 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법 및 이에 따른 광전극을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법은 제1도전형 반도체 기판에 제2도전형 불순물층이 도핑된 다수의 셀을 준비하는 단계; 상기 다수의 셀을 슁글드 어레이 접합 방식으로 접합하는 단계; 일측 단부의 셀에 전면 전극을 형성하고, 타측 단부의 셀에 후면 전극을 형성하는 단계; 및 상기 전면 전극을 제외한 나머지 셀의 전면에 투명 절연층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전면 전극에 물분해 촉매층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1도전형은 P 타입이고, 상기 제2도전성형은 N 타입으로서 상기 전면 전극에 의해 물이 분해되어 수소가 발생되도록 할 수 있다.
상기 제1도전형은 N 타입이고, 상기 제2도전성형은 P 타입으로서 상기 전면 전극에 의해 물이 분해되어 산소가 발생되도록 할 수 있다.
상기 전면 전극은 TiO2, Ga2O3, In2O3, ZnO, Nb2O5, WO3, Sn0, SnO2 및 MgO로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 물분해 촉매층은 Pt, Ir, Pd 및 Ta으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 투명 절연층은 에폭시 및 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 상술한 방법 중 어느 하나로 형성된 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예는 기존 광전기화학 셀의 한계를 뛰어넘기 위하여 광전압이 낮은 실리콘 광전극에 슁글드 어레이 접합 방식을 도입하여 고전압, 고전류의 실리콘 광전극을 구현함으로써, 추가적인 전압 공급 없이 작동이 가능한 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법 및 이에 따른 광전극을 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극이 채택된 수소/산소 생산 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법을 도시한 순차 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법을 도시한 순차 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극을 도시한 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극이 채택된 수소/산소 생산 시스템(100)을 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 수소/산소 생산 시스템(100)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 황화나트륨(Na2S)(pH ~4.0)과 같은 전해질 수용액(110)을 담는 용기(120)와, 용기(120)의 일측에 위치되어 태양광이 입사되는 광전극(130)과, 용기(120)의 타측에 위치되어 광전극(130)과 마주보는 상대 전극(140)을 포함한다. 물론, 전류 발생을 위해 광전극(130)과 상대 전극(140)은 도선(150)을 통해 상호간 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 용기(120)에는 태양광이 광전극(130)에 입사할 수 있도록 투명 윈도우(121)가 구비될 수 있다. 또한, 광전극(130)의 반도체 접합 구조(PN 접합 구조 또는 NP 접합 구조)에 따라, 광전극(130)에서 수소가 생성되고 상대 전극(140)에서 산소가 생성되거나, 또는 광전극(130)에서 산소가 생성되고 상대 전극(140)에서 수소가 생성될 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극(130)의 제조 방법을 도시한 순차 단면도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 대략 평판 형태의 반도체 기판(131)이 제공될 수 있다.
반도체 기판(131)은 제1도전형, 예를 들어 N형 또는 P형의 실리콘으로 이루어진 반도체일 수 있다. 이때, 실리콘은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘일 수 있다. 기판(131)이 N형의 도전형일 경우, 기판(131)은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함할 수 있고, 기판(131)이 P형의 도전형 타입일 경우, 기판(131)은 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함할 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(131)의 상면에 불순물층(132)이 형성될 수 있다.
불순물층(132)은 반도체 기판(131)이 제1도전형일 경우, 제2도전형 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다. 물론, 불순물층(132)은 반도체 기판(131)이 제2도전형일 경우, 제1도전형 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다. 이러한 불순물층(132)의 형성은 통상의 열확산 방식 또는 이온 주입 방식 등으로 형성될 수 있다.
이와 같이 하여, 반도체 기판(131)과 불순물층(132) 사이에 PN 접합 구조가 형성되고, 따라서 태양광이 PN 접합 구조에 입사되면 전자와 정공의 쌍이 형성될 수 있다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(131)은 소잉되어 낱개의 셀(133)로 독립될 수 있다.
반도체 기판(131)은 다이아몬드 블레이드 또는 레이저 빔에 의해 소잉됨으로써, 낱개의 전극 셀(133) 또는 태양 전지 셀(133)로 독립될 수 있다. 도면 중 점선이 소잉 라인이며, 소잉된 영역이 전극 셀(133) 또는 태양 전지 셀(133)로 정의될 수 있다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 다수의 셀(133)이 슁글드 방식으로 접합됨으로써, 고전압 및 고전류를 얻을 수 있는 직렬 전극 셀(133)이 구비될 수 있다.
일례로, 일측의 셀(133)의 후면과 인접한 타측 셀(133)의 전면 사이에 도전성 접착제(134)가 개재된 상태에서, 상호간 가압되고, 또한 대략 100 ℃ 내지 250 ℃의 온도가 제공됨으로써, 상호간 기계적/전기적으로 접속될 수 있다. 여기서, 접착 성능이 향상될 수 있도록 도전성 접착제(134)가 도포되는 일측 셀(133)의 후면 및 타측 셀(133)의 전면에 다양한 형태의 요철부가 형성될 수도 있다.
이러한 도전성 접착제(134)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 도전성 필러 충진 열 경화성 수지를 포함할 수 있다.
도전성 필러는 입자들이 서로 접점을 이루어 통전을 해주는 역할을 하는데, 도전 입자의 재료로는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni), 구리(Cu), 카본(C) 등이 여러 가지 크기와 모양으로 만들어져 사용될 수 있다. 이 중에서도 특히, 은이 가장 바람직한데, 그 이유는 ① 높은 전도도 ② 간단한 가공 ③ 플레이크 형태로 최대의 접점 효과 ④ 산화물이 되었을 때에도 열화가 덜 된다(다른 금속의 산화물은 절연체가 된다)는 특징을 갖기 때문이다.
도전성 필러의 입자 형상은 많은 점과 면 접촉을 위하여 플레이크 형상의 입자가 바람직하다. 이러한 도전성 필러는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 대략 1 ㎛ 내지 3 ㎛의 입자 사이즈를 가질 수 있으며, 도전성 접착제(134) 중 대략 10 wt% 내지 90wt%의 중량비를 가질 수 있다.
또한, 열 경화성 수지는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 에폭시, 시아네이트 에스테르, 실리콘, 폴리우레탄을 포함할 수 있다. 물론, 이러한 열 경화성 수지 외에도 폴리이미드, 에폭시 페놀과 같은 열 가소성 수지도 이용될 수 있다.
열가소성 수지는 수리하거나 리워크(rework)하기 쉬운 장점이 있으나, 고온에서 열화되기 쉽고 폴리이미드와 같이 용제를 포함하는 것도 있다(잔류 용제는 가열 시 증발로 인해 틈새가 생겨 신뢰도의 문제가 된다).
본 발명의 다양한 실시예에서, 접착력, 내화학성, 내부식성, 저 코스트 등의 장점을 갖는 열 경화성 에폭시 수지가 가장 바람직하다.
한편, 이러한 도전성 접착제(134)의 전기 전도도가 더욱 향상되도록 본 발명에서는 다음과 같은 처리가 추가적으로 수행될 수 있다.
고분자 매트릭스의 수축도 증가 - 일반적으로 도전성 접착제(134)는 경화 전에 비해 경화 후 전기 전도도가 더욱 향상된다. 따라서, 에폭시를 기재로 한 도전성 접착제(134)의 경우 다관능 에폭시를 첨가하여, 경화 시 수축도가 증가하면서 전기 전도도가 더욱 증가하도록 할 수 있다.
은 플레이크 표면의 윤활유 막 대체 - 은 플레이크를 함유한 도전성 접착제(134)는 플레이크 표면에 매트릭스에의 분산을 돕고, 접착제(134)와의 레올로지 특성을 갖는 유기 윤활유의 막이 있다. 이 막은 절연성을 갖게 되므로 도전성 접착제(134)의 경화 작업 도중에 이 막을 일부 또는 전부 제거함으로써(일례로, 짧은 사슬의 디카르복실산을 첨가함) 전기 전도도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도전성 접착제(134)에 환원제를 첨가 - 도전성 접착제(134)에 함유된 은 플레이크가 산화하면 산화은은 전도성이 남지만(다른 금속 산화물은 절연성을 갖는다), 그래도 금속 자체에 비하여서는 전도도가 떨어진다. 따라서, 도전성 접착제(134)의 배합 시 알데히드를 첨가하여 산화은이 은으로 환원되도록 하고, 카르복실산이 생성되도록 함으로써, 전기 전도도가 이중으로 향상되도록 할 수 있다
저온 천이 액상(TLP; Transient Liquid Phase) 필러 사용 - TLP를 형성하는 금속 혼합물을 필러로 사용하면, 경화 작업 중에 저온에서 액상이 생기면서 저융점 금속(예를 들면, Sn-58Bi: 융점 139 ℃, Sn-50.9In: 융점 117 ℃)과 고융점 금속(예를 들면, Sn-0.7Cu: 융점 221 ℃, Sn-3.5Ag: 융점 221 ℃)의 네트워크가 이뤄져 전기 전도도가 더욱 향상될 수 있다.
은 나노 필러의 저온 소결 - 은 나노 필러를 사용하면, 나노 크기의 입자는 마이크론 크기의 입자보다 접촉 저항이 커서 전기 전도도가 떨어지지만, 은 나노를 대략 100 ℃ 이하에서 급속 소결시키면 접촉 면적이 줄어들게 되어 전기 전도도가 향상될 수 있다.
이와 같이 하여, 셀(133)이 슁글드 어레이 방식으로 직렬 연결된다고 해도 추가적인 저항 성분의 증가가 억제될 수 있다. 즉, 셀(133)의 전면 및/또는 후면을 표면 처리하여, 슁글드 어레이 구조로 접합할 때 사용되는 도전성 접착제(134)의 접촉 면적을 증가시킴으로써, 결국 저항 성분을 감소시켜 전기적 특성을 향상시킬 수 있도록 한다. 더욱이, 도전성 접착제(134)에 다양한 처리(예를 들면, 고분자 매트릭스의 수축도 증가, 은 플레이크 표면의 윤활유 막 대체, 환원제 첨가, 저온 천이 액상 필러 사용, 저온 소결 등)를 수행함으로써, 도전성 접착제(134)의 전기적 저항을 더욱 감소시킬 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극(130)의 제조 방법을 도시한 순차 단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 다수의 셀(133)이 슁글드 어레 방식으로 접합된 상태에서 이들 셀(133)은 대략 수평 방향으로 놓여질 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 다수의 셀(133) 중 일측 셀(133)의 전면에 투명 전면 전극(135)이 형성되고, 다수의 셀(133)중 타측 셀(133)의 후면에 후면 전극(136)이 형성될 수 있다.
전면 전극(135)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, TiO2, Ga2O3, In2O3, ZnO, Nb2O5, WO3, Sn0, SnO2 및 MgO로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종으로 형성될 수 있다.
후면 전극(136)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti) 및 금(Au)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종으로 형성될 수 있다.
또한, 이러한 전면 전극(135) 및 후면 전극(136)은 통상의 전해 도금, 무전해 도금, 스퍼터링, 증발, 물리적 증착, 화학적 증착, 원자층 증착 등 다양한 방식에 의해 형성될 수 있다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 전면 전극(135) 위에 물분해 촉매층(137)이 형성될 수 있다.
물분해 촉매층(137)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, Pt, Ir, Pd 및 Ta으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종으로 형성될 수 있다. 이러한 물분해 촉매층(137)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 돗트 어레이 형태 또는 매트릭스 형태로 형성되어, 전면 전극(135)의 효율을 떨어뜨리지 않으면서도 물분해 촉매 효율을 향상시킬 수 있다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 전면 전극(135)을 제외한 나머지 셀(133)의 전면에 투명 절연층(138)이 형성될 수 있다.
투명 절연층(138)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 에폭시 및 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함할 수 있다. 투명 절연층(138)은 코팅, 스프레이, 용사, 화학적 증착, 물리적 증착 등 다양한 방식에 의해 형성될 수 있다.
이러한 투명 절연층(138)은 본 발명의 실시예에 따른 광전극(130)이 전해질 수용액(110)에 들어갔을 때, 전해질 수용액(110)이 전면 전극(135) 및 촉매층(137)에만 접촉하도록 하고, 나머지 셀(133)의 표면에 접촉하지 않도록 하는 역할을 한다. 따라서, 직렬 연결된 다수의 셀(133)이 상호간 전기적으로 쇼트되지 않고, 이에 따라 고전압 및 고전류가 전해질 수용액(110)에 인가됨으로써, 산소/수소의 생산 효율이 향상되도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극(130)을 도시한 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광전극(130)이 전해질 수용액(110)에 들어갔을 경우, 전해질 수용액(110)은 전면 전극(135) 및 촉매층(137)에만 접촉하고, 나머지 셀(133)의 표면에는 투명 절연층(138)에 의해 접촉하지 않게 된다. 따라서, 태양 광에 의한 정공-전자의 쌍은 직렬 연결된 모든 셀(133)에서 생성되지만, 고전압 고전류는 일측 셀(133)에 형성된 전면 전극(135) 및 촉매층(137)을 통해서만 전해질 수용액(110)에 인가됨으로써, 수소/산소의 생산성이 향상된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법 및 이에 따른 광전극을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 수소/산소 생산 시스템
110: 전해질 수용액 120; 용기
121; 태양광 윈도우 130; 광전극
131; 반도체 기판 132; 불순물층
133; 전극 셀 134; 도전성 접착제
135; 전면 전극 136; 후면 전극
137; 촉매층 138; 투명 절연층
140; 상대 전극 150; 도선

Claims (8)

  1. 제1도전형 반도체 기판에 제2도전형 불순물층이 도핑된 다수의 셀을 준비하는 단계;
    상기 다수의 셀을 슁글드 어레이 접합 방식으로 접합하는 단계;
    일측 단부의 셀에 전면 전극을 형성하고, 타측 단부의 셀에 후면 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 전면 전극을 제외한 나머지 셀의 전면에 투명 절연층을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전면 전극에 물분해 촉매층을 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1도전형은 P 타입이고, 상기 제2도전성형은 N 타입으로서 상기 전면 전극에 의해 물이 분해되어 수소가 발생되도록 함을 특징으로 하는 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1도전형은 N 타입이고, 상기 제2도전성형은 P 타입으로서 상기 전면 전극에 의해 물이 분해되어 산소가 발생되도록 함을 특징으로 하는 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전면 전극은 TiO2, Ga2O3, In2O3, ZnO, Nb2O5, WO3, Sn0, SnO2 및 MgO로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함함을 특징으로 하는 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 물분해 촉매층은 Pt, Ir, Pd 및 Ta으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함함을 특징으로 하는 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 절연층은 에폭시 및 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함함을 특징으로 하는 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항에 기재된 방법 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 슁글드 어레이 접합 방식을 이용한 광전기화학적 물분해용 고전압 광전극.
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