태양광-수소 생산 소자용 TiO2 및 BiVO4소재의 나노구조 광전극 제조 및 광전기화학적 특성 향상 연구
Design & Synthesis of nanostructured TiO2 and BiVO4 based photoelectrodes with improved photoelectrochemical performance for solar water-splitting
- 주제(키워드) 광전기화학 셀 , 이산화 타이타늄(TiO2) , 바나듐산 비스무트(BiVO4) , 나노구조 , 용액 환원 공정 , 전자빔증착법 , 광전기화학 특성 , 산소생산
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 조인선
- 발행년도 2018
- 학위수여년월 2018. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000027251
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
최근 화석 연료의 사용에 의한 지구 온난화와 환경 오염의 문제를 해결하기 위하여 화석 연료의 대체 에너지인 신재생에너지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 이러한 신재생에너지 중 태양 에너지의 경우 연간 조사량이 화석 연료나 우라늄의 총 매장량보다 수백 배 많고, 연간 인류의 에너지 사용량의 수천 배 이상의 에너지량을 나타내는 에너지원으로써 차세대 신재생에너지로의 연구가 진행 되고 있다. 이런 태양광 에너지를 이용하는 기술 중 광전기화학 셀(Photoelectrochemical cell, PEC cell)을 이용한 물분해(water splitting)의 경우 수소 생산 방법 중 무한에 가까운 자원인 태양광과 물을 이용하는 가장 이상적인 수소 생산 기술로 활발한 연구가 진행되고 있다. PEC Cell은 광산화극(photoanode)과 광환원극(photocathode)로 구성되고, 이들 광전극에 태양광 조사 시 전하(전자/전공)가 생성되고 이들이 각각 광산화극과 광환원극으로 이동하여 물분해 반응을 통해 산소와 수소를 생성하는 기술이다. 현재까지 광산화극 소재로써, 안정성이 우수한 다양한 산화물 반도체 소재들이 연구 되어 오고 있으며, 특히 TiO2와 BiVO4 두 소재는 각각 3.0eV와 2.6eV의 밴드갭을 갖는 n-type 반도체로써 적절한 전도대와 가전자대 준위, 높은 광전기화학적 안정성 및 풍부한 원소로 구성 되어 있는 특성 때문에 그 동안 많은 연구가 진행 되어 왔다. 하지만 현재까지 이론 값에 비해 낮은 광산화극의 성능을 나타내고 있으며, 이는 산화극에서의 물 분해 반응 시 산화 반응 속도가 매우 느리고, 또한 실리콘과 같은 환원극 소재에 비해 전하 이동도(mobility)가 수백 배 낮아서 상대적으로 전자/정공의 재 결합률(recombination)이 매우 높기 때문이다. 본 연구에서는 다양한 수열 합성 조건에서 TiO2 Nanotubes (NTs)를 합성하여 가장 높은 광전기화학적 특성을 나타내기 위한 길이, 두께, 밀도를 갖는 TiO2 NTs 합성 조건을 설정하였고, TiO2 NTs를 여러 온도, 시간, 농도 하의 TiCl3 용액 환원 공정을 통해 산소 공공 생성 및 광전기화학적 특성의 개선 효과를 확인하였다. 간단한 TiCl3 용액 환원 공정을 통해 TiO2 광산화극의 광전류 밀도(Photocurrent density, Jph)를 6배, IPCE 효율을 약 2배가량 증가시키는 효과를 확인하였다. 또한 BiVO4 박막의 합성을 위해 기존 용액 합성법, 전기 화학적 합성법, Sputtering 방법이 아닌 e-beam Evaporator를 이용하여 다양한 기판 온도, 증착 속도, 기판 상의 seed layer등의 공정 변수를 토대로 기존의 증착 방법 이외의 기상 증착법을 통한 BiVO4 광산화극을 제조하였다. 본 연구를 통해 기존 산화물 반도체에 간단한 TiCl3 용액 환원 공정을 통해 산소 공공을 생성하고 이를 통한 산화물 광전극의 PEC 특성 향상이 가능해 질 것으로 예상되며, 기존과 다른 BiVO4 박막의 합성 방법을 제시함으로써, 앞으로의 BiVO4 박막 연구에 새로운 방법을 제시할 수 있을 것으로 예상된다.
more초록/요약
Recently, interest to renewable energy, which is an alternative energy for fossil fuels, is increasing to solve the problem of global warming and environmental pollution caused by the use of fossil fuel. Among these renewable energies, the annual amount of solar energy is hundreds of times larger than the total amount of fossil fuel and uranium’s reserves and thousands times larger than the amount of annual human energy consumption. For this reason, solar energy is attracting attention as a next-generation energy source. In the case of water splitting using photoelectrochemical (PEC) cells among these technologies using solar energy, active research is being conducted as the most ideal hydrogen production technology using the solar energy and water. Photoelectrochemical cells consist of photoelectrodes (photoanode and photocathode) and electrolyte. When the sunlight is irradiated, the charges (electrons / holes) are generated and move to each photoelectrodes for reacting to generate oxygen and hydrogen gas. In particular, TiO2 and BiVO4 are n-type semiconductors with band gaps of 3.0 eV and 2.6 eV, respectively, and are suitable for conduction band and valence band states, Due to its high photoelectrochemical stability and its abundance of elements, many studies have been carried out. However, TiO2 and BiVO4 electrodes show low electrode performance compared to the theoretical value, because this electrodes have slow oxidation reaction rate at the oxidized electrode, low charge mobility and relatively high electron/hole recombination rate. In this study, TiO2 nanotube arrays (NTs) were synthesized under various hydrothermal synthesis conditions to show the highest photoelectrochemical properties. And TiCl3 mediated solution reduction method were conducted under various temperature, time, concentration for generating oxygen vacancies and improving photoelectrochemical properties. Through simple TiCl3 solution reduction process, we confirmed that the photocurrent density (Jph) of the TiO2 NTs electrode is increased 5 times and the IPCE efficiency is increased about 2 times. Additionally, in order to synthesize BiVO4 thin film, we used e-beam evaporator instead of conventional solution synthesis method, electrochemical deposition method, and sputtering method. Based on process parameters control such as substrate temperature, deposition rate and seed layer on substrate, a various BiVO4 photoelectrode was prepared by e-beam evaporator. Through this study, it is expected that it will be possible to improve the PEC characteristics of the oxide photoelectrode by generating oxygen vacancies through a simple TiCl3 solution reduction process on the existing oxide semiconductors. By suggesting the synthesis method of BiVO4 thin films different from the conventional ones, it is expected that a new method for BiVO4 thin film research can be suggested.
more목차
I. 서론 및 연구 배경 1
Ⅰ-1 인공 광합성 기술 (Solar-Fuels) 2
Ⅰ-1-1 광전기화학 물분해 (PEC water-splitting)기술 소개 2
Ⅰ-1-2 PEC cell에 있어서 광전극 합성 및 개발의 중요성 3
Ⅰ-2 TiO2 광전극 연구 배경 6
Ⅰ-2-1 TiO2 광전극의 기본적 물성 및 장점 6
Ⅰ-2-2 TiO2 광전극의 기술 개발 현황 및 문제점 7
Ⅰ-3 BiVO4 광전극 연구 배경 9
Ⅰ-3-1 BiVO4 광전극의 특징 및 장점 9
Ⅰ-3-2 BiVO4 광전극의 기술 개발 현황 및 문제점 11
II. 실험 방법 12
Ⅱ-1 졸겔법(sol-gel method) 12
Ⅱ-2 수열합성법(Hydrothermal method) 14
Ⅱ-3 e-beam Evaporator증착법 16
Ⅱ-4 특성 평가 방법 18
Ⅱ-4-1 결정 구조 및 형상 분석 18
Ⅱ-4-2 화학 성분 분석 21
Ⅱ-4-3 광학적 특성 분석 21
Ⅱ-4-4 전기 화학적 특성 분석 22
III. 결과 및 고찰 25
Ⅲ-1 형상 및 표면 제어를 통한 TiO2 광전극 효율 개선 연구 25
Ⅲ-1-1 Introduction 25
Ⅲ-1-2 실험 방법 28
Ⅲ-1-3 결과 및 고찰 29
Ⅲ-1-4 결론 49
Ⅲ-2 전자빔 증착법을 이용한 BiVO4 광전극 증착 및 효율 평가 50
Ⅲ-2-1 Introduction 50
Ⅲ-2-2 실험 방법 51
Ⅲ-2-3 결과 및 고찰 53
Ⅲ-2-4 결론 61
Ⅳ. 결론 62
참고문헌 63
