KR20230048716A - 양면형 광전기화학 광전극 소자 및 그를 포함하는 수소 발생 장치 - Google Patents

양면형 광전기화학 광전극 소자 및 그를 포함하는 수소 발생 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20230048716A
KR20230048716A KR1020210131487A KR20210131487A KR20230048716A KR 20230048716 A KR20230048716 A KR 20230048716A KR 1020210131487 A KR1020210131487 A KR 1020210131487A KR 20210131487 A KR20210131487 A KR 20210131487A KR 20230048716 A KR20230048716 A KR 20230048716A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
photoelectrode
photoelectrochemical
sided
double
Prior art date
Application number
KR1020210131487A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102671981B1 (ko
Inventor
주진우
Original Assignee
한국광기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국광기술원 filed Critical 한국광기술원
Priority to KR1020210131487A priority Critical patent/KR102671981B1/ko
Publication of KR20230048716A publication Critical patent/KR20230048716A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102671981B1 publication Critical patent/KR102671981B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/052—Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate
    • C25B11/053—Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate characterised by multilayer electrocatalytic coatings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/50—Processes
    • C25B1/55—Photoelectrolysis
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L31/03044—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds comprising a nitride compounds, e.g. GaN
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L31/03046—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
    • H01L31/03048—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP comprising a nitride compounds, e.g. InGaN
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035209—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

본 발명은 양면형 광전기화학 광전극 소자 및 그를 포함하는 수소 발생 장치에 관한 것으로서, 양면형 광전기화학 광전극 소자는 기판; 상기 기판 상에 성장하며, 제1 밴드갭 에너지(E1)을 갖는 제1 반도체 물질의 반도체층으로 구현되는 제1 레이어; 상기 제1 레이어 상에 성장하며, 제2 밴드갭 에너지(E2, E2<E1)을 갖는 제2 반도체 물질의 반도체층으로 구현되는 제2 레이어; 및 상기 제1 레이어와 제2 레이어의 표면에 모두 전기적 접촉되도록 형성되는 전극을 포함하는 것이다.

Description

양면형 광전기화학 광전극 소자 및 그를 포함하는 수소 발생 장치{Double-sided photoelectrochemical photoelectrode device and a Hydrogen Generator Including the Same}
본 발명은 양면형 광전기화학 광전극 소자 및 그를 포함하는 수소 발생 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 일 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
인류의 전기발전 시스템을 이용하여 물을 분해함으로써, 화학에너지인 수소를 생산하는 기술들이 개발되고 있다. 다만, 이와 같이 수소를 생산하는 기술들에서는 여러 단계의 시스템(과정)을 거치는 동안 많은 에너지의 손실이 발생한다. 이에, 전기 전달 과정에서 발생하는 에너지 손실을 최소화하기 위하여, 전력을 생산하지 않고 직접적으로 물을 분해하여 수소와 산소를 생산하는 시스템이 제안되었으며, 이를 일반적으로 광전기화학적(Photoelectrochemical) 수소 제조라 한다.
광전기화학적 수소 생산(photoelectrochemical hydrogen production) 방법은 반도체와 전해액 사이 계면에 태양광을 비춰 주어 계면에서 물분해를 수행하는데, 반도체/전해액 계면이 광자를 흡수하여 그 에너지를 화학적 에너지, 즉 수소 연료로 변환시키는 핵심적인 역할을 한다. 광전극으로도 불리는 반도체 물질은 Si, GaAs 등 단결정 물질부터 TiO2 등 금속 산화물까지 다양한 물질들이 연구되고 있다.
도 1은 일반적인 광전기화학 셀에서 광전기화학적 물분해 과정을 설명하는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광전기화학 셀은 빛을 흡수할 수 있는 광전극과 상대전극, 외부회로와 물로 이루어져 있다.
광전기화학적 물분해 수소 생산 과정은, 광전극이 태양광 에너지를 흡수하고, n형 반도체 물질로 이루어진 광전극이 밴드갭 에너지 이상의 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 형성한다. 생성된 전자와 정공은 분리되어 전자는 환원 전극으로, 정공은 산화전극으로 이동하여 전자와 정공이 분리된다. 환원 전극과 산화 전극으로 이동한 전자와 정공은 전극과 물의 계면에서 열역학적으로 물과 반응(전하 계변 반응)하여 수소와 산소를 생성한다.
이때, 광자를 효율적으로 흡수하기 위해서는 사용되는 반도체 물질의 밴드갭에너지가 작아야 하고, 흡수 계수(absorption coefficient)도 커야 하며, 전극의 나노 구조가 광자를 많이 흡수할 수 있도록 제작되어야 한다. 전자와 정공을 효율적으로 분리하기 위해서는 전자와 정공이 재결합(recombination)되지 않기 위해서 반도체 물질의 전기적 성질이 좋아야 하며, 전극의 나노 구조가 전자와 정공이 효율적으로 분리되어 이동할 수 있도록 제작되어야 한다. 전극과 물의 계면에서 전자 또는 정공이 물분자와 효율적으로 반응하기 위해서는 열역학적 반응의 활성화에너지(activation energy)가 작아야 하며, 전자와 정공이 물분자와 반응할 수 있는 기회를 더 많이 만들어주기 위해 전극과 물이 형성하는 계면의 면적을 넓힐 수 있도록 나노 구조를 제작하여야 한다.
그러나, 종래에는 광자 흡수 효율, 전자/정공 분리 효율, 전하 계면 반응 효율 중 한가지 또는 두 가지의 효율을 향상시켜 광전기화학적 수소 변환 효율의 향상을 도모하였지만, 각 과정들은 서로 이율배반성을 가지고 있어 하나의 효율이 향상되면 하나의 효율이 저하되기 때문에 높은 광전기화학적 수소 변환 효율을 이루어내기 어렵다는 문제점이 있다.
무엇보다도, 태양광을 이용한 광전기화학적 수소 생산에서 에너지 변환 효율은 반도체 물질의 에너지 밴드갭(energy band gap)과 직결된다. 현재 대부분의 산화 금속 물질(TiO2, ZnO 등)은 에너지 밴드갭이 너무 커서 태양광 스펙트럼 중 자외선 영역 광자만 흡수하고 다른 영역의 빛은 흡수하지 못하므로 이런 광전극들은 상당히 작은 에너지 변환 효율을 나타내는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 광전극 소자의 태양광 흡수량을 최대화시키면서 기존에 밴드갭 에너지 차이로 인해 전자 이동이 불가능했던 문제를 해결할 수 있는 양면형 광전기화학 광전극 소자 및 그를 포함하는 수소 발생 장치를 제공하는 것에 목적이 있다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따른, 양면형 광전기화학 광전극 소자는, 광을 입사받아 광전류를 발생시키는 광전기화학 광전극 소자에 있어서, 기판; 상기 기판 상에 성장하며, 제1 밴드갭 에너지(E1)를 갖는 제1 반도체 물질의 반도체층으로 구현되는 제1 레이어; 상기 제1 레이어 상에 성장하며, 제2 밴드갭 에너지(E2, E2<E1)을 갖는 제2 반도체 물질의 반도체층으로 구현되는 제2 레이어; 및 상기 제1 레이어와 제2 레이어의 표면에 모두 전기적 접촉되도록 형성되는 전극을 포함하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 레이어는 외부의 광이 입사되는 광 입사면이 되는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 레이어와 제2 레이어는 GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 및 AlInN으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 2가지 재질의 양자 우물(QW, quantum well) 구조로 형성되는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 반도체층은 자외선 파장 대역의 빛을 흡수하고, 상기 제2 반도체층은 가시광 파장 대역의 빛을 흡수하는 것이다. 여기서, 상기 제1 반도체 물질은 GaN이고, 상기 제2 반도체 물질은 InGaN인 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 전극은 전도성 물질로 구비되는 와이어와 인듐(In)에 의해 오믹컨텍(ohmic contact) 되는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 전극은 전기적으로 절연성을 갖는 밀봉 부재로 밀봉되는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소 발생 장치는, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 광전극; 상기 광전극으로부터 생성되어 분리된 전자를 유입받는 상대전극; 및 상기 광전극이 배치될 수 있도록 하는 공간을 제공하며, 상기 공간 내에 전해질 용액을 포함하는 용기를 포함하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 전해질 용액은, 수소 이온을 포함하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 상대전극은, 상기 광전극으로부터 생성되어 분리된 전자를 유입받아 수소 이온을 환원시키는 것이다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 본 발명은 InGaN과 GaN의 반도체 물질을 적층한 구조를 갖는 광전극 소자를 이용하여 가시광선과 자외선 영역의 밴드 갭을 얻을 수 있고, 기존의 단일 반도체 물질로 이루어진 광전극 소자에 비해 광전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 광전기화학 셀에서 광전기화학적 물분해 과정을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면형 광전기화학 광전극 소자의 구성을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 3의 광전극 소자의 전압에 따른 광전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 밴드갭 에너지가 서로 다른 반도체 물질을 적층한 구조를 갖는 광전극 소자의 제1 레이어의 표면에 형성된 단일 전극 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 광전극 소자의 전압에 따른 광전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 밴드갭 에너지가 서로 다른 반도체 물질을 적층한 구조를 갖는 광전극 소자의 제2 레이어의 표면에 형성된 단일 전극 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 7의 광전극 소자의 전압에 따른 광전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면형 광전기화학 광전극 소자의 제작 방법을 설명하는 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
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. 또한 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 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 동일 범위의 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생장치(100)는 광전극(110), 상대전극(120) 및 용기(130)를 포함한다.
광전극 또는 광전극 소자(110)는 광전기화학(Photoelectrochemical, PEC)을 이용하여 광을 입사받아 전자/정공 쌍을 생성한 후 이를 분리시킨다. 이러한 광전극(110)은 용기(130) 내에 배치되어 수소를 발생시킨다.
용기(130) 내에는 수소를 포함한 전해질 용액이 포함된다. 광전극(110)에 의해 분리된 전자/정공 중 어느 하나는 광전극의 표면(115)으로 이동하고, 나머지 하나는 상대전극(120)으로 이동한다. 이에 광전극(110)의 표면에서 전자 및 정공 중 어느 하나에 의해 산화작용 및 환원작용 중 어느 하나가 발생하여, 수소 기체 및 전해질 용액 내 포함된 다른 성분의 기체(예를 들어, 전해질 용액이 물일 경우 산소 기체) 중 어느 하나가 발생한다.
상대전극(120)에서는 전자 및 정공 중 나머지 하나에 의해 산화작용 및 환원작용 중 나머지 하나가 발생하여, 수소 기체 및 다른 성분의 기체 중 나머지 하나가 발생한다. 광전극(110)에서 발생하는 (분리된) 전자와 정공의 양이 많아질수록, 전해질 용액 내에서와 상대전극(120)에서의 산화 및 환원작용이 활발해지며 기체, 특히, 수소 기체의 생산량이 많아지는 것은 자명하다. 이에, 광전극(110)은 보다 많은 전자/정공 쌍을 분리시켜 수소 발생장치(100)가 보다 많은 양의 수소 기체를 생성하도록 한다.
상대전극(120)은 광전극(110)과 전기적으로 연결되어, 광전극(110)에서 생성되는 전자 또는 정공 중 어느 하나를 유입받아 수소 기체 또는 다른 성분의 기체를 발생시킨다. 일 예로서, 전해질 용액은 수소이온을 포함하는 용액으로서 대표적인 예가 물이다. 전해질 용액 내에는 추가적인 전해질 성분이 포함될 수 있다. 전해질 성분은 황산 나트륨(Na2SO4), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH) 또는 인산칼륨(KH2PO4) 등일 수 있다. 이하에서는 편의상 용기(130) 내 배치되는 전해질 용액이 물 또는 전해질 성분을 추가로 포함하는 물로 한정하여 설명하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
광전극(110)의 구조에 의해 전자가 상대전극(120)으로 유입되는 경우를 가정하면, 상대전극(120)으로 유입되는 전자가 전해질 용액 내 포함된 수소 이온(H+)을 환원시킨다. 수소 이온이 환원되며, 상대전극(120)의 표면에서 수소 기체가 발생한다. 이 경우, 광전극(110)의 표면에서는 정공이 전해질 용액으로 방출되며, 전해질 용액 내 수산화 이온(OH-)을 산화시킨다. 수산화 이온(OH-)이 산화되며, 광전극(110)의 표면에서 산소 기체가 발생한다. 반대로, 광전극(110)의 구조에 의해 전공이 상대전극(120)으로 유입되는 경우를 가정하면, 상대전극(120)에서는 산소 기체가 발생하며, 광전극(110)의 표면에서 수소 기체가 발생한다.
용기(130)는 광전극(110)이 자신의 내부에 배치될 수 있도록 하는 공간을 제공하며, 해당 공간 내에 전해질 용액을 포함한다. 전술한 대로, 용기(130) 내에는 광전극(110)에 의해 수소 기체가 발생할 수 있도록, 수소 이온을 포함하는 전해질 용액이 포함된다. 용기(130)는 전해질 용액을 포함하여, 광전극(110)이 광을 입사받아 동작하며 발생하는 전자/정공에 의해 수소가 발생될 수 있도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면형 광전기화학 광전극 소자의 구성을 설명하는 도면이고, 도 4는 도 3의 광전극 소자의 전압에 따른 광전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 광전기화학 광전극 소자(110)는 기판(미도시), 제1 레이어(111), 제2 레이어(112) 및 전극(113)을 포함하지만 이에 한정되지는 않고, 기판(111)과 제1 레이어(112) 사이에 버퍼층(미도시)을 더 포함할 수도 있다.
기판은 제1 레이어(112) 및 제2 레이어(112)를 성장시키고, 최하단에서 각 레이어들(111, 112)이 자신의 상단에 성장할 수 있도록 한다. 이러한 기판은 사파이어 물질로 제작될 수 있다.
제1 레이어(111)는 기판 상에 성장하며, 제1 밴드갭 에너지(E1)를 갖는 제1 반도체 물질의 반도체층으로 구현되고, 제2 레이어(112)는 제1 레이어(111) 상에 성장하며, 제2 밴드갭 에너지(E2, E2<E1)을 갖는 제2 반도체 물질의 반도체층으로 구현된다.
예를 들어, 제1 레이어(111)와 제2 레이어(112)는 GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 및 AlInN으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 2가지 재질의 양자 우물(QW, quantum well) 구조로 형성될 수 있는데, 특히 제1 레이어(111)는 GaN으로 구현되고, 제2 레이어(112)는 InGaN으로 구현될 수 있다.
GaN 반도체 물질은 상온에서 밴드갭 에너지가 3.4 eV이고, GaN에 인듐(In)을 첨가한 InGaN 반도체 물질은 인듐 조성을 적절하게 조절함으로써 자외선 영역에서 가시광선 전체 영역을 다 포함하는 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 그러나 In 조성이 증가함에 따라, 양질의 InGaN 물질을 성장시키기 어렵다.
따라서, GaN 반도체층을 포함하는 제1 레이어(111)는 자외선 파장 대역의 빛을 흡수하도록 하고, InGaN 반도체층을 포함하는 제2 레이어(112)는 가시광 파장 대역의 빛을 흡수하도록 한다. 이때, 제1 레이어(111)는 외부로부터 광을 입사받을 경우에 전자/정공 쌍을 생성한다.
전극(113)은 제1 레이어(111)와 제2 레이어(112)의 표면에 모두 전기적 접촉되도록 형성되는데, 전도성 물질로 구비되는 와이어와 인듐(In)에 의해 오믹컨텍(ohmic contact) 될 수 있다.
또한, 전극(113)은 전기적으로 절연성을 갖는 밀봉 부재(예를 들어, 에폭시 수지 등)(114)로 밀봉된다. 이러한 밀봉 부재(114)는 전극이 오믹 컨택된 상태에서 전해질과 접촉시 분해가 발생하지 않도록 한다.
전해질과 접촉하고 있는 광전극 소자(110)의 제1 레이어(111) 쪽으로 광이 입사되면, 광전 효과에 의해 전극 물질의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지를 갖는 파장의 빛을 흡수하여 광전극 소자(110) 내에서 전자/정공 쌍을 생성한다. 광전 효과에 의해 생성된 전자/정공 쌍은 광전극(110)과 전해질 계면에 생성된 밴드 벤딩(band bending)에 의해 전자와 정공으로 분리된다. 이때, 제1 레이어(111)는 광 입사면이 된다.
제1 레이어(111) 뿐만 아니라, 제2 레이어(112)도 제1 레이어(111)를 투과한 빛 에너지를 받아 전자/정공 쌍의 생성과 분리가 진행되고, 제2 레이어(112)의 표면에 형성된 전극(113)을 따라 분리된 전자 또는 정공이 제1 레이어(111) 쪽으로 이동할 수 있다.
즉, 제1 레이어(111)의 밴드갭 에너지가 제2 레이어(112)의 밴드갭 에너지보다 커서 전자가 이동할 수 없지만, 제2 레이어(112)의 표면에 형성된 전극(113)을 통해 전자가 제1 레이어(111)와의 밴드갭 에너지 차이를 뛰어넘어 이동할 수 있게 된다.
따라서, 분리된 전자 및 정공 중 전자(e―)는 상대 전극(120)으로 이동하며, 정공(h+)은 표면(115)에서 전해질 용액으로 방출된다. 전술한 대로, 제1 레이어(111)의 표면에만 전극(113)이 형성된 경우에 비해 2배 증가된 전자가 상대전극(120)으로 이동하여 수소 이온을 환원시키며 수소 기체를 생성하고, 정공은 전해질 용액으로 방출되며 수산화 이온을 산화시켜 산소 기체를 생성한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 밴드갭 에너지가 서로 다른 제1 레이어(111)와 제2 레이어(112)가 적층된 구조를 갖는 광전극 소자(110)는 밴드갭 에너지가 큰 제1 레이어(111)가 광 입사면인 경우에 0.8mA/cm2의 광전류 밀도를 나타낸다.
따라서, 본 발명의 양면형 광전극 소자(110)는 태양광 흡수량이 최대화되면서도, 밴드갭 에너지가 서로 다른 반도체 물질이 적층된 구조(GaN/InGaN)의 광전극 소자(110)에서 전자 이동 문제를 해결할 수 있어 광전 효율이 향상될 수 있다.
도 5는 밴드갭 에너지가 서로 다른 반도체 물질을 적층한 구조를 갖는 광전극 소자의 제1 레이어의 표면에 형성된 단일 전극 형태를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 5의 광전극 소자의 전압에 따른 광전류 밀도를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 7은 밴드갭 에너지가 서로 다른 반도체 물질을 적층한 구조를 갖는 광전극 소자의 제2 레이어의 표면에 형성된 단일 전극 형태를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 도 7의 광전극 소자의 전압에 따른 광전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
제1 및 제2 광전극 소자(300, 500)는 밴드갭 에너지가 서로 다른 물질인 GaN을 이용한 제1 레이어(111)와 InGaN을 이용한 제2 레이어(112)가 적층된 구조를 갖는다.
그러나, 제1 광전극 소자(300)는 제2 레이어(320)에 비해 밴드갭 에너지가 큰 제1 레이어(310)의 표면에 단일 전극(330)이 형성되고, 제1 레이어(310)가 광 입사면이 된다.
따라서, 광이 제1 레이어(310) 쪽으로 입사되면, 제1 광전극 소자(300) 내에서 생성된 전자/정공 쌍은 각각 전자와 정공으로 분리되며, 제2 레이어(320)에 형성된 정공이 제1 레이어(310) 쪽으로 이동될 수 있지만, 제2 레이어(320)에 형성된 전자 이동이 불가능하다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 광전극 소자(300)는 광전류 밀도가 0.4mA/cm2를 나타내고, 이는 GaN으로만 이루어진 광전극 소자의 광전 효율과 동일한 수준이다. 또한, 제1 레이어(310)를 투과한 빛 에너지가 제2 레이어(320)에 흡수되는지도 불명확할 뿐만 아니라, 제1 레이어(310)를 투과한 빛 에너지가 제2 레이어(320)에 흡수된다 하더라도 전자 이동의 한계로 인해 광전 효율이 향상되지 않는다.
한편, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 광전극 소자(500)는 제1 광전극 소자(300)와 동일하게 구조를 갖지만, 제1 레이어(510)보다 밴드갭 에너지가 작은 제2 레이어(520)가 광 입사면이 되고, 제2 레이어(520)의 표면에 전극(530)이 형성된다.
이러한 제2 광전극 소자(500)는 1.3mA/cm2의 광전류 밀도를 갖고, 이는 InGaN으로만 이루어진 광전극 소자(500)의 광전 효율과 동일한 수준으로서, 제2 레이어(520)에서 입사되는 빛 에너지를 모두 흡수하기 때문에, 제1 레이어(510)에 빛 에너지가 전달되지 않아 그만큼 광전 효율이 저하된다.
도 4, 도 6 및 도 8을 통해 빛이 입사하는 방향에 따른 광전 효율의 변화를 살펴보면, 광전극 소자에서 빛이 입사하는 광입사면에만 전극이 형성된 도 6 및 도 8에 비해, 광전극 소자의 양면에 전극이 형성된 도 4의 경우에 더 높은 광전류 밀도를 보이고 있다. 특히, 양면(GaN/InGaN)에 전극이 형성된 광전극 소자가 InGaN보다 밴드갭 에너지가 큰 GaN의 반도체 물질로 이루어진 제1 레이어에만 전극이 형성된 경우에 비해 광전 효율이 2배 정도 증가됨을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면형 광전기화학 광전극 소자의 제작 방법을 설명하는 순서도이다.
도 9을 참조하면, 양면형 광전기화학 광전극 소자의 제작 방법은 사파이어 재질의 기판 상에 제1 밴드갭 에너지(E1)을 갖는 GaN의 반도체층을 성장시켜 제1 레이어를 형성한다(S1).
제1 레이어 상에 제2 밴드갭 에너지(E2, E2<E1)을 갖는 InGaN의 반도체층을 성장시켜 제2 레이어를 형성한다(S2). 이때, GaN/InGaN 구조는 MOVCD 법으로 성장시켰으며, 전구체(TMIn, TEGa)를 각 Ga, In, N의 소스로 이용하고, 반응기에 기판을 투입한 후 일정한 성장 조건(전구체의 유량, 성장 압력, 성장 시간, 성장 온도 등)에 따라 반도체층을 성장시킨다.
제1 레이어와 제2 레이어의 표면에 모두 전기적 접촉되도록 형성되는 전극을 형성함으로써 양면형 광전극 소자를 제작한다(S3, S4).
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 수소 발생장치
110 : 광전극
120 : 상대전극
130 : 용기
111 : 제1 레이어
112 : 제2 레이어
113 : 전극
114 : 밀봉 부재

Claims (11)

  1. 광을 입사받아 광전류를 발생시키는 광전기화학 광전극 소자에 있어서,
    기판;
    상기 기판 상에 성장하며, 제1 밴드갭 에너지(E1)을 갖는 제1 반도체 물질의 반도체층으로 구현되는 제1 레이어;
    상기 제1 레이어 상에 성장하며, 제2 밴드갭 에너지(E2, E2<E1)을 갖는 제2 반도체 물질의 반도체층으로 구현되는 제2 레이어; 및
    상기 제1 레이어와 제2 레이어의 표면에 모두 전기적 접촉되도록 형성되는 전극을 포함하는 것인, 양면형 광전기화학 광전극 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이어는 외부의 광이 입사되는 광 입사면이 되는 것인, 양면형 광전기화학 광전극 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이어와 제2 레이어는 GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 및 AlInN으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 2가지 재질의 양자 우물(QW, quantum well) 구조로 형성되는 것인, 양면형 광전기화학 광전극 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체층은 자외선 파장 대역의 빛을 흡수하고,
    상기 제2 반도체층은 가시광 파장 대역의 빛을 흡수하는 것인, 양면형 광전기화학 광전극 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 반도체 물질은 GaN이고,
    상기 제2 반도체 물질은 InGaN인 것인, 양면형 광전기화학 광전극 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전극은 전도성물질로 구비되는 와이어와 인듐(In)에 의해 오믹컨텍(ohmic contact) 되는 것인, 양면형 광전기화학 광전극 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 전기적으로 절연성을 갖는 밀봉 부재로 밀봉되는 것인, 양면형 광전기화학 광전극 소자.
  8. 수소를 발생시키는 수소 발생장치에 있어서,
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 광전극;
    상기 광전극으로부터 생성되어 분리된 전자를 유입받는 상대전극; 및
    상기 광전극이 배치될 수 있도록 하는 공간을 제공하며, 상기 공간 내에 전해질 용액을 포함하는 용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전해질 용액은,
    수소 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 상대전극은,
    상기 광전극으로부터 생성되어 분리된 전자를 유입받아 수소 이온을 환원시키는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
  11. 광을 입사받아 광전류를 발생시키는 광전기화학 광전극 소자의 제작 방법에 있어서,
    a) 기판 상에 제1 밴드갭 에너지(E1)을 갖는 제1 반도체 물질의 반도체층을 성장시켜 제1 레이어를 형성하는 단계;
    b) 상기 제1 레이어 상에 제2 밴드갭 에너지(E2, E2<E1)을 갖는 제2 반도체 물질의 반도체층을 성장시켜 제2 레이어를 형성하는 단계; 및
    c) 상기 제1 레이어와 제2 레이어의 표면에 모두 전기적 접촉되도록 형성되는 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것인, 양면형 광전기화학 광전극 소자의 제작 방법.
KR1020210131487A 2021-10-05 2021-10-05 양면형 광전기화학 광전극 소자 및 그를 포함하는 수소 발생 장치 KR102671981B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210131487A KR102671981B1 (ko) 2021-10-05 2021-10-05 양면형 광전기화학 광전극 소자 및 그를 포함하는 수소 발생 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210131487A KR102671981B1 (ko) 2021-10-05 2021-10-05 양면형 광전기화학 광전극 소자 및 그를 포함하는 수소 발생 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230048716A true KR20230048716A (ko) 2023-04-12
KR102671981B1 KR102671981B1 (ko) 2024-06-05

Family

ID=85984267

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210131487A KR102671981B1 (ko) 2021-10-05 2021-10-05 양면형 광전기화학 광전극 소자 및 그를 포함하는 수소 발생 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102671981B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200054769A (ko) * 2018-11-12 2020-05-20 한국광기술원 파장 선택형 광전기화학적 수소 생산 시스템
KR20210040515A (ko) * 2019-10-04 2021-04-14 성균관대학교산학협력단 수소 발생 장치
KR20210105567A (ko) * 2020-02-19 2021-08-27 성균관대학교산학협력단 수소 발생 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200054769A (ko) * 2018-11-12 2020-05-20 한국광기술원 파장 선택형 광전기화학적 수소 생산 시스템
KR20210040515A (ko) * 2019-10-04 2021-04-14 성균관대학교산학협력단 수소 발생 장치
KR20210105567A (ko) * 2020-02-19 2021-08-27 성균관대학교산학협력단 수소 발생 장치

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Yannick K. Gaudy등. Journal of Materials Chemistry A., 2015.12.22., 4, pp.3100~3114* *

Also Published As

Publication number Publication date
KR102671981B1 (ko) 2024-06-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8709228B2 (en) Method for reducing carbon dioxide
US8758578B2 (en) Photoelectrochemical cell and energy system using the same
CN101922015B (zh) 一种InGaN半导体光电极的制作方法
US20200385873A1 (en) Photocatalytic electrode for water splitting and water splitting device
US10087533B2 (en) Method for reducing carbon dioxide and device used therefor
JP2017210666A (ja) 二酸化炭素の還元方法、及び二酸化炭素の還元装置
WO2020116151A1 (ja) 窒化物半導体光電極の製造方法
US20220090278A1 (en) Transparent electrode for oxygen production, method for producing same, tandem water decomposition reaction electrode provided with same, and oxygen production device using same
KR20210052722A (ko) 광전기화학셀용 광전극 구조체 및 이의 제조방법
JP5742597B2 (ja) 水素を生成する方法
KR102671981B1 (ko) 양면형 광전기화학 광전극 소자 및 그를 포함하는 수소 발생 장치
WO2016114063A1 (ja) 水素発生電極
US20160010218A1 (en) Gas production apparatus
US20230407498A1 (en) Water splitting device protection
KR102671960B1 (ko) 광대역 밴드갭을 갖는 광전기화학 광전극 소자 및 그를 포함하는 수소 발생 장치
KR20230039238A (ko) 다중 파장 대역의 광전기화학 광전극 소자 및 그를 포함하는 수소 발생 장치
KR102198369B1 (ko) 파장 선택형 광전기화학적 수소 생산 시스템
KR102622618B1 (ko) 효율이 향상된 광전기화학전지 및 그를 포함하는 수소 발생장치
Gao et al. Recent progress in gallium nitride for photoelectrochemical water splitting
KR102155231B1 (ko) 광전기화학적 인공 광합성 장치
JP2011183358A (ja) 光触媒材料及びこれを用いた光水素生成デバイス並びに水素の製造方法
JP2016098419A (ja) 水素の生成方法、水素生成装置および水素生成用のアノード電極
US20220403529A1 (en) Manufacturing Method of Nitride Semiconductor Photoelectrode
JP6562286B1 (ja) 光エネルギー変換素子およびそれを具備するデバイス
KR20150032433A (ko) 광전극과 그 제조방법 및 이를 이용한 광전기화학 셀

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant