KR102123988B1 - 광전극 기반의 해수 전지 시스템 및 자발적 광충전 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 충전 시 광전극을 이용하는 해수 전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지는 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부; 해수에 함침되는 제1 캐소드(cathode) 및 제2 캐소드를 포함하는 양극부; 및 상기 양극부와 상기 음극부 사이에 위치하여 상기 양극부와 상기 음극부를 분리하는 고체 전해질;을 포함하고, 상기 제1 캐소드는, 광전극을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 해수 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충전 시 광전극을 이용하는 해수 전지에 관한 것이다.
재생 가능한 에너지원의 효과적 사용은 지속 가능한 사회를 달성하기 위해 해결해야 할 가장 필수적인 문제들 중 하나이다. 바람, 태양, 수력, 바이오 매스 및 지열 에너지와 같은 재생 가능 에너지원은 안정적으로 전기를 생산하지 못한다. 결과적으로, 현재 에너지 소비를 충족시킬 수 있는 일관된 전력 공급 장치에 간헐적으로 발생하는 에너지를 축적하기 위해서는 대규모 에너지 저장 장치가 필수적이며, 고 에너지 리튬-이온 배터리가 솔루션으로 기여할 것으로 예상된다. 그러나, 리튬 비용의 증가에 따라 최근 해수 전지가 대규모 용도로 기존의 리튬 이온 배터리 기술을 대체할 수 있는 저비용/고효율 기술로 간주됨에 따라, 해수 전지에 대한 연구 및 개발 시도가 활성화되었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 충전 시 광전극을 이용하는 해수 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 충전 시 광전극-태양 전지의 탠덤(tandem) 구조 기반의 해수 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지는 유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부; 해수에 함침되는 제1 캐소드(cathode) 및 제2 캐소드를 포함하는 양극부; 및 상기 양극부와 상기 음극부 사이에 위치하여 상기 양극부와 상기 음극부를 분리하는 고체 전해질;을 포함하고, 상기 제1 캐소드는, 광전극을 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제2 캐소드는, 카본 펠트, 카본 페이퍼, 카본 파이버 및 금속 박막/폼(foam) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 캐소드는, 상기 해수 전지의 충전 시 사용되고, 상기 제2 캐소드는, 상기 해수 전지의 방전 시 사용될 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 캐소드는, 전도성 기판 및 상기 전도성 기판 상에 위치하는 광흡수층을 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 광흡수층은, TiO2, ZnO, C3N4, WO3, Bi2WO6, BiVO4, CdS, TaON, CuWO4, ZnFe2O4, Fe2O3, Ta3N5 및 CaFe2O4 중 적어도 하나로 구성된 반도체를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 캐소드에 대한 전도대(conduction band, CB)와 가전자대(valence band, VB) 간 밴드갭(band gap)은 물 분해가 일어나는 전위를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 캐소드에 대한 전도대와 가전자대 간 밴드갭(band gap)의 크기는, 임계값 이하이고, 상기 임계값은, 전자 여기(electron excitation)가 일어나는 밴드갭의 최대 크기를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 캐소드는, 태양 전지와 서로 부착되어 일체를 이루는 탠덤(tandem) 구조를 구성할 수 있다.
실시예에서, 상기 태양 전지는, 충전 시 상기 제1 캐소드에 광전압을 공급할 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 캐소드와 태양 전지는, 하나의 소자로 구성될 수 있다.
실시예에서, 상기 탠덤 구조는, 상기 제1 캐소드와 상기 태양 전지를 적층시킨 복층 구조를 포함할 수 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술될 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, "통상의 기술자")에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 충전 시 광전극을 이용함으로써, 충전 시 필요한 충전 전압을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 광전극-태양 전지의 탠덤(tandem) 구조에 의해, 별도의 외부 인가 전압 없이 충전을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 풍부한 천연자원인 해수와 태양 에너지를 이용하여, 친환경적으로 충전을 수행할 수 있다.
본 발명의 효과들은 상술된 효과들로 제한되지 않으며, 본 발명의 기술적 특징들에 의하여 기대되는 잠정적인 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제1 캐소드의 예를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 해수 전지의 에너지 다이어그램을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지의 충전 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지의 J-V 커브(curves) 그래프를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지의 충방전 전압 그래프를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지의 안정성 그래프를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전극인 제1 캐소드와 태양 전지의 탠덤(tandem) 구조를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 다른 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 또 다른 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 또 다른 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제1 캐소드의 예를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 해수 전지의 에너지 다이어그램을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지의 충전 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지의 J-V 커브(curves) 그래프를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지의 충방전 전압 그래프를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지의 안정성 그래프를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전극인 제1 캐소드와 태양 전지의 탠덤(tandem) 구조를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 다른 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 또 다른 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 또 다른 성능 그래프를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
청구범위에 개시된 발명의 다양한 특징들은 도면 및 상세한 설명을 고려하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 명세서에 개시된 장치, 방법, 제법 및 다양한 실시예들은 예시를 위해서 제공되는 것이다. 개시된 구조 및 기능상의 특징들은 통상의 기술자로 하여금 다양한 실시예들을 구체적으로 실시할 수 있도록 하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 개시된 용어 및 문장들은 개시된 발명의 다양한 특징들을 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시 광전극을 이용하는 해수 전지를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지(100)를 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 해수 전지(100)는 양극부(110), 음극부(120), 고체 전해질(130) 및 퍼텐쇼스탯(potentiostat)(140)을 포함할 수 있다.
양극부(110)는 해수(seawater)에 함침되는 제1 캐소드(cathode)(112) 및 제2 캐소드(114)와 해수가 담기는 수조를 포함한다.
제1 캐소드(112)는 광전극(photoelectrode)을 의미할 수 있다. 즉, 제1 캐소드(112)는 태양에너지를 전기에너지로 변환하여, 변환된 전기에너지를 해수 전지(100)의 충전 시 필요한 충전 전압의 적어도 일부로 사용할 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 충전 시 광전극인 제1 캐소드(112)에 의해 공급되는 전압은 ‘광충전(photo-charge) 전압’으로 지칭될 수 있다. 이와 같이, 제1 캐소드(112)를 이용하여 광충전 전압을 공급함으로써 해수 전지(100)의 충전 시 필요한 충전 전압을 낮출 수 있다. 일 실시예에서, 광충전 전압만으로 충전이 완료되지 않고, 외부 인가 전압이 추가적으로 공급됨으로써 충전이 수행될 수 있다. 이 경우, 해수 전지(100)의 충전 전압은 광충전 전압과 외부 인가 전압의 합(sum)일 수 있다.
제1 캐소드(112)에 빛이 조사되면, 전자와 정공(수소이온)이 생성되며, 산소가 발생된다. 충전 시 제1 캐소드(112)에서 발생된 전자는 제1 캐소드(112)와 전기적으로 연결된 외부 회로를 통해 음극부(120)로 전달될 수 있다.
일 실시예에서, 충전 시 제1 캐소드(112)에서는 하기 <화학식 1>과 같은 반응이 발생할 수 있다. 즉, 충전 시 제1 캐소드(112)에서는 물이 분해되어 산소, 수소 이온, 및 전자가 생성되고, 생성된 전자는 음극부(120)로 전달될 수 있다.
다른 실시예에서, 충전 시 제1 캐소드(112)에서는 물이 분해되어 수소(H2)와 산소(O2)가 2:1로 생성될 수 있다.
제2 캐소드(114)는 해수 전지(100)의 방전 시 양극부(110)에서 이용되는 캐소드를 의미할 수 있다. 이 경우, 방전 시 제2 캐소드(114)는 음극부(120)로부터 전자를 전달받을 수 있다. 일 실시예에서, 제2 캐소드(114)는 카본 펠트, 카본 페이퍼, 카본 파이버, 금속 박막/폼(foam) 또는 이들의 조합일 수 있는 양극 집전체 및 양극 집전체 상에 마련된 촉매층을 포함할 수 있다.
음극부(120)는 유기 전해질(예: TEGDME의 1M NaCF3SO3)에 함침되는 애노드(anode)를 포함할 수 있다. 애노드는 음극 집전체 및 음극 집전체 상에 위치하는 활물질층을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 활물질층으로써 나트륨 금속이 사용되었다.
일 실시예에서, 충전 시 음극부(120)에서는 하기 <화학식 2>와 같은 반응이 발생할 수 있다. 즉, 충전 시 음극부(120)에서는 나트륨 이온과 전자가 결합함으로써, 나트륨 금속에 전기 에너지가 저장될 수 있다.
양극부(110)와 음극부(120) 사이에는, 양극부(110)와 음극부(120)를 분리하면서, 해수 전지(100)의 충방전 시, 나트륨 이온(Na+)을 통과시키는 고체 전해질(예: NASICON)(130)이 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 충전 시 나트륨 이온은 양극부(110)에서 고체 전해질(130)을 통해 음극부(120)로 이동하고, 방전 시 나트륨 이온은 음극부(120)에서 고체 전해질(130)을 통해 양극부(110)로 이동할 수 있다.
퍼텐쇼스탯(140)은 광전극인 제1 캐소드(112)에 의해 공급된 광충전 전압 이외에 해수 전지(100)의 충전 시 필요한 외부 인가 전압을 공급할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 캐소드(112)와 음극부(120)를 전기적으로 연결하는 외부 회로 상에 설치될 수 있으며, 충전 시 필요한 전압을 일정하게 공급할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제1 캐소드(112)의 예를 도시하는 도면이다.
도 2를 참고하면, 제1 캐소드(112)는 광전극을 의미할 수 있으며, 제1 캐소드(112)는 전도성 기판 및 상기 전도성 기판 상에 위치하는 광흡수층을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 광흡수층은 TiO2, ZnO, C3N4, WO3, Bi2WO6, BiVO4, CdS, TaON, CuWO4, ZnFe2O4, Fe2O3, Ta3N5 및 CaFe2O4 중 적어도 하나로 구성된 반도체를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전도성 기판은 FTO(F-doped SnO2 glass)로 구성되고, 광흡수층은 Mo로 도핑된 BiVO4를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 광흡수층 상에 위치하는 조효소층을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 제1 캐소드(112)는 해수에 포함된 물을 분해하여 충전을 수행하기 때문에, 제1 캐소드(112)에 대한 전도대(conduction band, CB)와 가전자대(valence band, VB) 사이에 물 분해가 일어나는 전위가(O2/H2O) 위치해야한다. 제1 캐소드(112)에 대한 전도대와 가전자대 간 밴드갭(band gap)은 물 분해가 일어나는 전위를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 충전 시 물을 산소로 산화하여, 가전자대에서 정공(hole)(수소)이 생성되고, 전도대에서 전자가 생성된다.
또한, 제1 캐소드(112)에 대한 전도대와 가전자대 간 밴드갭의 크기는 임계값 이하일 수 있다. 이 경우, 임계값은 전자 여기(electron excitation)가 일어나는 밴드갭의 최대 크기를 의미할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 해수 전지(100)의 에너지 다이어그램을 도시하는 도면이다.
도 3을 참고하면, 기존의 해수 전지에서와 같이 카본 펠트로 구성된 캐소드를 이용하여 충전이 수행되는 경우, 제1 경로(310)와 같이 충전이 수행되며, 이 경우, 예를 들어, 3.48V 이상의 충전 전압이 요구될 수 있다.
그러나, 본 발명의 해수 전지(100)와 같이 광전극인 제1 캐소드(112)를 이용하여 충전이 수행되는 경우, 제2 경로(320)와 같이 충전이 수행되며, 이 경우, 예를 들어, 2.25V의 충전 전압으로 충전이 수행될 수 있다. 즉, 충전 시 광전극인 제1 캐소드(112)를 이용하는 경우, 해수 전지(100)의 충전에 필요한 충전 전압이 감소될 수 있다. 예를 들어, 충전 전압은 1.23V만큼 감소될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지(100)의 충전 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 4를 참고하면, 광전극(NiFeOx/BiVO4)인 제1 캐소드(112)를 이용하여 충전이 수행되는 경우, 충전 전압은 2.95V일 수 있다. 백금(Pt)/탄소(C) 촉매로 코팅된 카본펠트로 구성된 제2 캐소드(114)를 이용하여 방전이 수행되는 경우, 방전 전압은 3.12V일 수 있다.
즉, 광전극인 제1 캐소드(112)를 이용하여 충전이 수행되는 경우, 방전 전압이 충전 전압보다 큰 것을 확인할 수 있는데, 이를 통해, 해수 전지(100)의 전압 효율이 100% 높아짐을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지(100)의 J-V 커브(curves) 그래프를 도시한 도면이다.
도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 NiFeOx/BiVO4 광전극을 적용하는 경우, 해수 분해를 위한 전압이 0.35VRHE(reversible hydrogen electrode)이고, Na 환원을 위한 전압이 2.55V임을 확인할 수 있다. 반면, 광흡수층을 사용하지 않은 OEC(oxygen evolving catalyst)인 IrOx/FTO 전극을 적용하는 경우, 해수 분해를 위한 전압이 1.55VRHE이고, Na 환원을 위한 전압이 3.87V임을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 NiFeOx/BiVO4 광전극은 광흡수층을 사용하지 않은 IrOx/FTO 전극에 비하여, Na 환원을 위한 전압, 즉, 충전 전압을 1.28V 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지(100)의 충방전 전압 그래프를 도시한 도면이다.
도 6을 참고하면, 1시간마다 해수 전지(100)의 충방전 전압을 측정하였을 때, 0.025-0.05mA 전류를 발생시키기 위한 충전 전압은 2.67-3.09V가 측정되고 방전 전압은 3.27-2.89V가 측정되었다.
즉, 매 시간마다 충전 전압이 방전 전압보다 낮음을 확인할 수 있는데, 이는, 충전 시 광전극인 제1 캐소드(112)에서 태양 에너지로부터 생성된 전기 에너지, 즉, 광충전 전압 때문이며, 이와 같이, 충전 시 광전극을 통해 전자를 발생시키는 경우 106-122%의 전압 효율을 달성할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전지(100)의 안정성 그래프를 도시한 도면이다.
도 7을 참고하면, 초기 2시간 동안은 광전극인 제1 캐소드(112)에 의해 공급되는 광충전 전압이 약간 감소하지만, 이후 10시간 동안 광충전 전압이 일정하게 유지된다. 즉, 제1 캐소드(112)가 충전 시 광충전 전압을 안정적으로 공급할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 이와 같이 총 12시간 동안의 광충전 전압 측정 동안 해수 전지(100)의 충전 전류/전압(operating point)에 대한 J-V 커브 또한 변경되지 않음을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전극인 제1 캐소드(112)와 태양 전지(810)의 탠덤(tandem) 구조를 도시한 도면이다.
도 8을 참고하면, 해수 전지(800)는 광전극(photoelectrode, PE)인 제1 캐소드(112)와 서로 부착되어 일체를 이루는 탠덤(tandem) 구조를 구성하는 태양 전지(photovoltaic, PV)(810)를 포함할 수 있다. 여기서, 탠덤 구조는, 제1 캐소드(112)와 태양 전지(810)를 적층시킨 복층 구조를 포함할 수 있다. 즉, 제1 캐소드(112)의 일면과 태양 전지(810)의 일면은 접촉되어 있을 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해, 제1 캐소드(112)와 태양 전지의 탠덤 구조는 ‘PE-PV 탠덤 구조’로 지칭될 수 있다. 이 경우, 전방으로부터 조사된 빛은 제1 캐소드(112)에 흡수되며, 제1 캐소드(112)를 통과한 빛은 태양 전지(810)에 흡수될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 캐소드(112)는 태양 전지(810)의 전극과 전기적으로 연결될 수 있으며, 이 경우, 태양 전지(810)는 제1 캐소드(112)가 별도의 외부 인가 전압 없이 물을 분해하기 위한 바이어스(bias) 광전압을 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 캐소드(112)가 빛을 조사 받으면 제1 캐소드(112)에서 전자와 정공(수소이온)이 생성되며, 산소가 발생할 수 있다. 이 경우, 탠덤 구조로 인하여, 제1 캐소드(112)에서 생성된 전자는 태양 전지(810)를 통해 음극부(120)에게 전달될 수 있다.
예를 들어, 태양 전지(810)는 페로브스카이트 태양 전지(perovskite solar cell, PSC), c-Si 태양 전지, 실리콘 태양 전지, 염료 감응형 태양 전지, 화합물 반도체 태양 전지 및 적층형 태양 전지 중 하나를 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 9를 참고하면, 1.0sun의 조도(illumination intensity) 하에서, BiVO4로 구성된 PE-PV 탠덤 구조 기반의 해수 전지의 동작점(JOP)과 STC(solar-to-chemical) 변환 효율()은 각각 PV가 7P(pieces) c-Si인 경우 2.29mAcm-2와 8.0%이고, PV가 3P(pieces) PSC인 경우 1.64mAcm-2와 5.7%일 수 있다. 이 경우, 3P PSC에 대한 STC 변환 효율()이 더 낮고 안정성이 떨어짐에도 불구하고, 3P PSC는 저비용으로 인해 실용적이라는 이점이 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 다른 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 10을 참고하면, 동일한 PE-PV 탠덤 구조 기반 해수전지에 대하여, STC 변환 효율()은 STH(solar-to-hydrogen) 변환 효율()보다 높다. 예를 들어, 0.1M KPi의 PE-1P PSC 탠덤 구조 기반 해수전지와 PE-1P c-Si 탠덤 구조 기반 해수전지 각각에 대한 STH 변환 효율()은 5.5%와 3.05%일 수 있다.
또한, PE-PV 탠덤 구조 기반 해수전지의 STC 변환 효율()은 금속 산화물(metal oxide) 기반 PE-PV 탠덤 셀(예: BiBO4-Fe2O3-c-Si)의 STH 변환 효율()(7.7%)보다 높을 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 또 다른 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 11을 참고하면, 1sun 이하에서 PE-PV 탠덤 구조를 포함하는 해수 전지로부터 생성된 광전류(photocurrent)는 음극부를 과부하(overload)시킬 수 있기 때문에, 해수 전지는 상대적으로 약한 광 세기(예: 0.1~0.3sun) 하에서 별도의 외부 바이어스 모듈 없이 충전을 수행하여, 5.7%의 STC 변환 효율()을 확보하면서 0.7mA의 광전류를 안정적으로 생성할 수 있다. 즉, 8시간 동안 해수 전지는 광전류의 저하(degradation) 없이 충전을 수행할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 구조에 의한 또 다른 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 12를 참고하면, PE-PV 탠덤 구조 기반 해수전지는 광전극인 제1 캐소드와 태양 전지가 하나의 소자로 구성되기 때문에, 에너지 변환 효율이 높음을 확인할 수 있다. 예를 들어, PE-PV 탠덤 구조 기반 해수전지는 3.92%의 STC 변환 효율()을 달성할 수 있다.
반면, 광전극인 제1 캐소드 대신에 OEC 전극을 적용하고 별도의 소자를 이용하여 OEC 전극과 태양 전지를 연결하는 경우, OEC 전극과 태양 전지는 별도의 소자로 취급되기 때문에, 에너지 변환 효율이 낮음을 확인할 수 있다. 예를 들어, 예를 들어, OEC 전극이 적용된 해수전지는 1.18%의 STC 변환 효율()을 달성할 수 있다.
즉, PE는 자체적으로 높은 광 전압뿐만 아니라 큰 밴드갭을 가지고 있기 때문에, 태양 에너지 수집을 극대화하기 위해서는 단일 광 흡수 시스템보다 이중 광 흡수 시스템을 사용하는 것이 에너지적으로 더 유리하다. 여기서, 단일 광 흡수 시스템은 충전 시 광전극을 사용하지 않고 태양 전지만을 사용하는 시스템을 의미하며, 이중 광 흡수 시스템은 충전 시 광전극과 태양 전지를 모두 사용하는 시스템을 의미할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 통상의 기술자라면 본 발명의 본질적인 특성이 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능할 것이다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
100: 해수 전지
110: 양극부
112: 제1 캐소드
114: 제2 캐소드
120: 음극부
122: 애노드
130: 고체 전해질
140: 퍼텐쇼스탯
800: 해수 전지
810: 태양 전지
110: 양극부
112: 제1 캐소드
114: 제2 캐소드
120: 음극부
122: 애노드
130: 고체 전해질
140: 퍼텐쇼스탯
800: 해수 전지
810: 태양 전지
Claims (11)
- 해수 전지에 있어서,
유기 전해질에 함침되는 애노드(anode)를 포함하는 음극부;
해수에 함침되는 제1 캐소드(cathode) 및 제2 캐소드를 포함하는 양극부; 및
상기 양극부와 상기 음극부 사이에 위치하여 상기 양극부와 상기 음극부를 분리하는 고체 전해질;
을 포함하고,
상기 제1 캐소드는, 광전극을 포함하고 상기 해수 전지의 충전 시 사용되며,
상기 제2 캐소드는, 상기 해수 전지의 방전 시 사용되고,
상기 제1 캐소드에 대한 전도대(conduction band, CB)와 가전자대(valence band, VB) 간 밴드갭(band gap)은 물 분해가 일어나는 전위를 포함하는,
해수 전지.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 캐소드는, 카본 펠트, 카본 페이퍼, 카본 파이버 및 금속 박막 중 적어도 하나를 포함하는,
해수 전지.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 캐소드는,
전도성 기판 및 상기 전도성 기판 상에 위치하는 광흡수층을 포함하는,
해수 전지.
- 제4항에 있어서,
상기 광흡수층은,
TiO2, ZnO, C3N4, WO3, Bi2WO6, BiVO4, CdS, TaON, CuWO4, ZnFe2O4, Fe2O3, Ta3N5 및 CaFe2O4 중 적어도 하나로 구성된 반도체를 포함하는,
해수 전지.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 캐소드에 대한 전도대와 가전자대 간 밴드갭의 크기는, 임계값 이하이고,
상기 임계값은, 전자 여기(electron excitation)가 일어나는 밴드갭의 최대 크기를 포함하는,
해수 전지.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 캐소드는, 태양 전지와 서로 부착되어 일체를 이루는 탠덤(tandem) 구조를 구성하는,
해수 전지.
- 제8항에 있어서,
상기 태양 전지는, 충전 시 상기 제1 캐소드에 광전압을 공급하는,
해수 전지.
- 제9항에 있어서,
상기 제1 캐소드와 태양 전지는, 하나의 소자로 구성되는,
해수 전지.
- 제8항에 있어서,
상기 탠덤 구조는, 상기 제1 캐소드와 상기 태양 전지를 적층시킨 복층 구조를 포함하는,
해수 전지.
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KR1020180118465A KR102123988B1 (ko) | 2018-10-04 | 2018-10-04 | 광전극 기반의 해수 전지 시스템 및 자발적 광충전 방법 |
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WO (1) | WO2020071723A2 (ko) |
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KR20220111554A (ko) | 2021-02-02 | 2022-08-09 | 한양대학교 산학협력단 | 고체전해질막을 포함하는 리튬 회수 시스템과 상기 고체전해질막의 제조 방법 |
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2018
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