태양광-수소 생산을 위한 1차원 나노막대 형상의 산화구리 광전극 성장 및 분위기 열처리 제어를 통한 광전기화학적 특성 향상 연구
초록/요약
화석연료의 무분별한 사용으로 인한 환경오염과 지구온난화 문제를 해결하기 위하여 광전기화학 셀을 이용한 ‘태양광-물 분해 수소 생산 기술’ 에 대한 관심이 크게 증대되고 있다. 효율적인 광전기화학 셀은 광흡수 특성 향상 및 효율적 작동을 위하여 크게 3가지 관점에서 연구되고 있다. 전하생성, 전하분리/수송 및 전하전달 효율을 동시에 최적화해 각 과정에서 전자-정공의 재결합율(recombination)을 최소화 시키는 것이 고효율의 광전기화학 셀을 얻기 위해 매우 중요하다. 본 연구에선 넓은 스펙트럼의 태양광 흡수를 위한 작은 밴드갭(band gap)과 수소 발생이 가능한 물의 환원 준위를 포함하고 있는 밴드 위치(band position)를 가진 산화구리(Cupric oxide)를 간단한 졸-갤법(sol-gel)과 수열합성법(hydrothemal)을 이용하여 1차원 나노막대구조로 합성하였다. 1차원 나노막대구조 산화구리는 80oC에서 3시간30분 반응시간과 450oC에서 1시간 최종열처리 온도에서 최대 광전류 밀도를 보였다. 1차원 나노막대구조 산화구리는 전하의 운반체 이동거리를 단축하여 전자/정공의 분리도/이동도를 높였으며, 전하 재결합율을 최소화 하였다. 빛 산란효과를 통해 빛 흡수율도 증가하였다. 3가지 산소 유량(flow rate)으로 분위기 열처리(450oC/1시간)를 하여 광전기화학적 특성을 비교하였다. 1차원 나노막대구조 산화구리를 산소분위기 열처리를 통해서 기존에 보고된 산화구리(cupric oxide) 광전극보다 높은 광전류 밀도를 보였다.
more초록/요약
In order to solve environmental pollution and global warming problem due to indiscreet use of fossil fuels, there is a great interest in 'solar water splitting hydrogen production technology' using photoelectrochemical cell. An efficient photoelectrochemical cell has been studied from three viewpoints for improvement of light absorption characteristics and efficient operation. It is very important to optimize charge generation, charge separation / transport and charge transfer efficiency simultaneously to minimize the recombination rate of electrons / holes in each process to obtain high efficiency photoelectrochemical cells. In this study, a cupric oxide with a band position containing a small bandgap for solar absorption of a broad spectrum and a reducing level of water capable of generating hydrogen is formed by simple sol-gel method and hydrothermal synthesis to form a one-dimensional nanorod structure. One - dimensional nanorod structure of copper oxide showed the maximum photocurrent density at the reaction time of 3 hour 30 min at 80 ° C and the heat treatment temperature of 450°C / 1 hour. One - dimensional nanorod structure Copper oxide shortens the carrier movement distance of the charge to increase the separation / mobility of electrons / holes and minimize the charge recombination rate. Light absorption rate was also increased by light scattering effect. The Control of annealing atmosphere (100sccm, 300sccm, 400sccm) showed the improved photocurrent density. One-dimensional nanorod structures and Control of annealing atmosphere showed higher photocurrent density than cupric oxide photoelectrodes reported previously.
more목차
제1장. 서론 및 연구 배경 1
1-1. 수소에너지 기술 1
1-2. 광전극 소재 연구/개발의 필요성 및 중요성 3
1-3. 연구 목적 4
제2장. 실험 방법 6
2-1. 금속 산화물 반도체 제조 공정 6
2-2 금속 산화물 반도체 분석 방법 11
2-2-1 구조적 특성 분석 11
2-2-2 화학적 특성 분석 14
2-2-3 광학적 특성 분석 16
2-2-4 광전기화학적 특성 분석 17
제3장. 결과 및 고찰 21
3-1. 1차원 나노막대구조 CuO 광환원극 합성 및 PEC 특성 향상 연구 21
3-1-1. 연구배경 21
3-1-2. 실험방법 23
3-1-3. 결과 및 토론 30
3-2. 1차원 나노막대구조 CuO 광환원극의 열처리 분위기 제어 연구 42
3-2-1. 연구배경 42
3-2-2. 실험방법 42
3-2-3. 결과 및 토론 43
제4장. 요약 및 결론 53
참고문헌 55
