수소나오겠조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 00000000..
영문 : Applying Oxygen Self-doped g-C3N4 for Zn-doped BiVO4 Photoanode to Enhance Photoelectrochemical Performances.
과제 팀명
수소나오겠조
지도교수
김정현 교수님
개발기간
2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20173400** (팀장)허*규
서울시립대학교 화학공학과 20163400** 오*석
서울시립대학교 화학공학과 20173400** 강*현
서울시립대학교 화학공학과 20173400** 박*병
서울시립대학교 화학공학과 20183400** 김*영
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
본 연구는 PEC(Photoelectrochemical cell)의 성능을 향상하는 방법과 물질 선정에 대해서 다룬다. 가장 큰 문제로 대두되는 낮은 에너지 효율을 개선하기 위해서 반도체 물질 중 에너지 전환 효율을 높일 수 있는 다양한 물질을 찾으며 다양한 물질의 조성과 도핑을 통해 PEC 성능 향상에 중점을 둔다.
개발 과제의 배경
태양전지가 각광을 받기 시작한 것은 화석연료가 가지고 있는 환경오염의 문제로 인해 대체에너지에 대한 관심이 높아지면서부터이다. 친환경적이면서 값싸게 전기를 생산하는 것은 현세대에 주어진 과제이다.
태양전지 중에서는 재료를 쉽게 구할 수 있는 실리콘 태양전지가 가장 많이 사용되고 있으나, 경제적인 측면에서는 화력발전이나 원자력 발전으로 전기를 생산하는 것보다 효율이 떨어진다. 화석연료의 환경오염 문제를 해결하고, 친환경적이며 재생가능한 태양전지를 만들기 위해서 낮은 효율을 개선하는 연구가 진행되어야 한다.
개발 과제의 목표 및 내용
선정된 물질을 spin-coating 기법으로 n층의 layer를 쌓아 heterojunction에 의한 PEC 성능 향상을 도모한다. Charge recombination을 줄이고 charge transfer ability를 증가하기 위해 heterojunction에 의한 적층 방식을 도입한다. 각 물질의 band diagram을 참고하여 FTO substrate로 전자가 모이고, 전해질 쪽으로 정공이 모여 광전극 내에서의 electron-hole pair 수를 높이고 recombination을 줄이는 조합으로 선정한다. 적절한 band gap을 가진 물질을 선정한 경우 CB, VB 값을 참고하여 전자 이동에 유리한 적층 순서를 찾고 전류밀도 값을 측정한다. 물질이 band gap 이상의 에너지를 받게 되면, VB에 있던 전자가 excited state가 되어 정공을 남겨두고 CB도 이동하게 된다. 태양광의 대부분인 가시광선 영역의 에너지를 받아 charge excitation을 가능하게 하는데, 따라서 광전극의 효율을 높이기 위해서는 적절한 narrow band gap 형성과 전자와 정공이 재결합하는 비율을 줄여야 한다.
하지만, 선정한 물질을 band diagram만으로 PEC 성능의 향상을 기대할 수 없다. 전류밀도 값 이외 빛을 가했을 때 전류밀도 값이 얼마나 유지되는지 측정하기 위한 photostability 측정이 요구된다. 본 연구에서는 LSV, EIS 측정으로 특정전압에서의 전류밀도 값을 측정하고, chronoamperometry로 빛에 대한 안정성, ABPE 측정을 통해 빛 파장에 따른 흡수율을 측정한다.
Charge transfer capability, long-term stability를 향상시키기 위해서는 doping, coupling, passivation layer 추가하는 방법 등을 통해 제어할 수 있다. 본 연구에서는 효율이 뛰어난 물질을 선정하고 합성하여, PEC 향상을 도모할 것이다. 태양에너지 기술은 신재생에너지 중 가장 무한한 자원인 태양빛을 이용한 전기에너지 전환이다. 기술의 문제점인 에너지 전환 효율을 개선할 수 있는 방법을 실험을 통해 연구하여 PEC 효율을 높이는 목표를 둔다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
내용
- 특허조사 및 특허 전략 분석
내용
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
내용
구성원 및 추진체계
내용
설계
설계사양
설계 사양
- 물의 수전해를 통한 수소 생산을 위해 PEC 성능을 향상시킨다.
- CNO/Zn:BiVO4 heterojunction을 통해 광전극의 광전기화학적, 광학적 특성의 향상을 도모한다.
목표 달성을 위한 설계 방법
- 물질 precursor를 이용하여 solution을 제작하고 이를 spin-coating 기법을 사용하여 FTO 위에 얇게 펴바른다. 용매의 제거와 박막의 표면 및 내부 안정화를 위해 물질의 특성을 고려하여 annealing을 진행해주어 최종적인 광전극을 제작한다.
Solution 제작 방법
- CNO solution
(1) CNO powder 제작 방법
- 1. Acetonitrile 50 mL에 dicyandiamide 0.8408 g을 넣어 녹인다.
- 2. 1번 용액에 cyanuric chloride 0.9221 g을 넣고 2시간 동안 stirring 해준다.
- 3. Teflon-lined autoclave에 2번 용액을 넣고 이를 muffle furnace에 넣은 후, 4℃/min의 가열속도로 가열하여 200℃에서 24시간 동안 유지한다.
- 4. 가열이 끝나면 상온에서 식힌 후 용매는 버리고 침전된 주황색 powder를 모아 DI water와 ethanol로 원심분리기를 이용하여 여러 번 세척해준다.
- 5. 세척이 끝난 powder를 오븐에서 60℃로 12시간 동안 말려준다.
- 6. 마른 powder를 다시 모아 절구와 절구공이를 이용하여 곱게 빻아준다.
(2) CNO solution 제작 방법
- 1. DEOA 5 mL와 acetone 5 mL를 섞은 후 hot plate에서 60℃, 600 rpm으로 stirring하여 투명한 용액을 만든다.
- 2. 1번 용액에 CNO powder 0.02 g을 넣고 stirring 해준다.
- 3. 2번 용액을 sonicater에서 1시간 동안 sonicating해주어 뭉친 입자를 풀어준다.
- 4. 3번 용액에 2g-PVA 10 mL 넣고 stirring하여 상온에 24시간 동안 둔다.
- Zn:BiVO4 solution
- 1. DI water 7.5 mL와 nitric acid 2.5 mL를 섞는다.
- 2. Bismuth(III) nitrate pentahydrate 1.1884 g과 zinc sulfate heptahydrate 0.0144 g과 ammonium metavanadate 0.2925 g을 1번 용액에 넣어 전부 녹을 때까지 stirring 해준다.
- 3. 2번 용액에 2g-PVA 10 mL를 추가로 넣고 stirring하여 상온에 24시간 동안 둔다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
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결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
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포스터
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관련사업비 내역서
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완료작품의 평가
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향후계획
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특허 출원 내용
내용
