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- ">얻 었다. 이 결과는 이종접합 구조의 형성이 광전기화학적 안정성을 향상하는 데에는 그다지 기여하지 않는다는 것을 가리킨다
제안 방법
- 12) 도금 용액은 0.05 M 의 황산구리 5수화물(CuSO4·5H2O)과 0.1 M의 젖산(lactic acid)을 혼합한 용액에 수산화나트륨(NaOH)을 스포이드를 사용하여 떨어뜨림으로써 pH 수치를 10, 11 그리고 12로 맞추어 세 가지로 준비하였다.
- ITO가 코팅된 유리 기판 위에 수열합성법을 이용하여 합성된 CuO 나노막대 집합체에 대해 관측된 전형적인 SEM 영상들을 Fig. 1에 나타내었다. 이 그림으로부터 수열합성된 CuO 나노막대들이 약 30 nm의 직경과 약 500 nm의 길이를 갖고서 수직으로 촘촘히 성장한 것을 확인할 수 있다.
- 각 전극에 전원을 연결한 다음에 전압을 −0.6 V에서 0.1 V까지 변화시키면서 가시광선을 조사했을 때와 어두울 때의 전류 밀도 차이를 측정함으로써 광 변환 효율을 계산하였다.
- 후)수열 합성용">수열합성용 용액은 25 mM의 질산 제2구리 3수화물[Cu(NO3)2·3H2O]과 40 mM의 헥사메틸렌테트라민(C6H12N4) 를 계량한 다음에 자기 교반자를 사용하여 균일하게 혼합하여 준비하였다. 그 다음에 CuO 씨앗층이 형성된 기판을 준비된 용액에 담근 후 85 oC에서 3시간 동안 수열합성법으로 CuO 나노막대 집합체를 성장시켰다. CuO 0 cm2의 면적 외의 부분을 차단한 다음에 용제를 사용하여 전극 연결부의 Cu2O와 CuO 를 제거함으로써 ITO를 노출시켰다. 그렇게 얻어진 형상의 Cu2O/CuO 광전극에 대해 3전극 배치를 사용하여 광전기화학적 물 분해 특성을 측정하였다. 여기서 0.
- 후)광전기 화학적">광전기화학적 성능을 평가하였다. 또한, 비교를 위해, ITO가 코팅된 유리 기판 위에 단일한 Cu2O 박막 광전극을 제작하여 광전기화학적 성능을 조사하였다.
- 먼저 산화인튬주석(ITO)이 코팅된 유리 기판 위에 스파터링 방법을 사용하여 대략 20 nm 두께의 Cu층을 증착시킨 다음에 400 oC에서 1시간 동안 열처리 공정을 시행함으로써 CuO 나노막대 성장용 CuO 씨앗층을 형성 했다.11) 준비된 CuO 본 논문에서는 수열합성법을 이용하여 합성된 CuO 나노막대 집합체와 전해도금법을 이용하여 형성된 Cu2O 박막으로 이루어진 Cu2O/CuO 산화물 반도체 이종접합 구조체를 제작하였다. 제작된 Cu2O 산화물 반도체 이종접합을 형성하기 위해 사전에 합성된 CuO 나노막대 집합체 위에 Cu2O 박막을 3전극형 전해도금법을 사용하여 성장시켰다.12) 후)수열 합성법을">수열합성법을 이용하여 합성된 CuO 나노막대 집합체와 전해도금법을 이용하여 형성된 Cu2O 박막으로 이루어진 Cu2O/CuO 산화물 반도체 이종접합 기반 광음극의광전기화학적 물 분해 특성을 체계적으로 조사하였다. X선 회절 및 SEM 분석뿐 아니라 라만 산란 실험을 통해서 산화구리 이종접합 구조체의 물 분해 특성을 조사하기 위해서는 물에 닿는 전극의 면적이 일정해야 하기 때문에 에폭시 경화제를 사용하여 0.5 × 1.0 cm2의 면적 외의 부분을 차단한 다음에 용제를 사용하여 전극 연결부의 Cu2O와 CuO 를 제거함으로써 ITO를 노출시켰다.
- 후)광변환">광 변환 효율을 계산하였다. 전류 밀도 차이가 가장 크게 나타나는 전압 하에서 일정 시간 동안 반복적으로 빛을 조사하고 차단함으로써 광전기화학적 성능을 평가하였다. 또한, 비교를 위해, ITO가 코팅된 후)이종접합구조체를">이종접합 구조체를 제작하였다. 제작된 Cu2O 박막/CuO 나노막대 이종접합의 구조적 특성을 확인한 다음에 태양광 물 분해용 광음극으로서의 광전기화학적 특성을 체계적으로 조사하였다. 여기서 전기화학적 방법으로 제작된 산화물 반도체 Cu2O/CuO 제작된 Cu2O 박막/CuO 나노막대 집합체 이종접합의 결정상 형성을 확인하기 위해 ITO가 코팅된 유리 기판 위에 전해도금된 단일한 Cu2O 박막과 더불어 라만 산란 분석을 통해서 후속적으로 연구되었다. Fig.
-
제작된 Cu2O/CuO 산화물 반도체 이종접합의 결정 상을 알아보기 위해 X선 회절 분석기(XRD)와 라만 (Raman) 분광기를 사용하였으며, 미세구조 분석을 위해 냉전계형 장방출 주사전자현미경(SEM)를 이용하였다.
대상 데이터
- 11) 준비된 CuO 씨앗층 위에 수열합성법을 사용하여 CuO 나노막대 집합체를 성장시켰는데, 여기서 사용된 수열합성용 용액은 25 mM의 질산 제2구리 3수화물[Cu(NO3)2·3H2O]과 40 mM의 헥사메틸렌테트라민(C6H12N4) 를 계량한 다음에 자기 교반자를 사용하여 균일하게 혼합하여 준비하였다.
- 후)물분해">물 분해
- 후)도금공정을">도금 공정을 시행하였다. 여기서 기준 전극은 표준 칼로멜(Hg/HgCl2) 전극을 사용 하였고, 상대 전극은 백금을 사용하였다. 마지막으로 얻어진 Cu2O/CuO 산화물 반도체 이종접합에 대한 열처리 공정을 건조한 공기 분위기에서 400 oC에서 1시간 동안 진행하였다.
성능/효과
- 후)신재생에너지로서">신재생 에너지로서 각광을 받고 있다.1) 수소는 가볍고 에너지 밀도가 높아서 적은 양으로도 많은 에너지를 배출할 수 있다. 그리고 태양광 에너지를 후)깎인 (faceted)">깎인(faceted) 면의 결정립들로 이루어져 있는데, 이것은 성장이 확산제어적(diffusion-limited)이라기보다는 운동학적으로 이루어진다는 것을 가리킨다.13) 전해도금된 물질은 Cu2O인 것으로 확인되었는데, X선 회절 스펙트럼에는 입방정계(cubic) Cu2O 결정상에서 비롯되는 회절선들만 관측되었다(Fig. 3 참조). Fig.
- 후)재조합과정의">재조합 과정의 억제에서 비롯되는 것으로 이해될 수 있다.8)여기서, 최초 20초간 조사되었을 때의 평균 광전류 밀도와 120초가 지난 후 20초간 조사되었을 때의 평균 광 전류 밀도를 비교함으로써 광음극의 광전기화학적 안정성을 평가했을 때, Cu2O 박막 광음극과 Cu2O/CuO 이종접합 광음극에 대해서 각각 80 %와 77 %라는 값을 얻 었다. 이 결과는 이종접합 구조의 형성이 Hg/HgCl2)에 이를 때까지 암흑 상태에서 무시할 만한 음극 전류를 나타낸다는 것을 관측할 수 있다. Cu2O/CuO 이종접합 광음극이 가시광선에 노출되었을 때, 음극 전압의 크기가 증가함에 따라 음극 광전류 생성이 확연히 증가한다는 것, 즉 광전기화학적 물 분해의 활성이 증진된다는 것을 분명히 알 수 있다. 예를 들면, −0.
- 후)물분해">물 분해 특성을 체계적으로 조사하였다. X선 회절 및 SEM 분석뿐 아니라 라만 산란 실험을 통해서 산화구리 기반 산화물 반도체 물 분해용 광전극이이종접합 구조를 형성하였음을 확인하였다. 측정된 27 %에 이르는 것으로 추산되었다. 게다가 Cu2O/CuO 이종접합 광음극및 단순한 Cu2O 박막 광음극에 대해서 측정된 광전기 화학적 전류 밀도-시간(J-T) 특성 곡선들로부터 Cu2O/ CuO 이종접합의 광전기화학적 성능이 단순한 Cu2O 박 막보다 상당히 향상된다는 것을 알 수 있었다. 여기서 관측된 후)결론적으로">결론 적으로 이 연구는 전기화학적으로 제작된 Cu2O/CuO 산화물 반도체 이종접합 광음극이 태양광 물 분해를 통한 수소 생산용 소자로 활용 가능하다는 점을 시사한다.
- 후)둘다">둘 다 상당히 작은 암흑 전류(dark current)를 나타낸다. 그리고 빛을 조사하면, Cu2O/CuO 이종접합 광음극이 Cu2O 박막 광음극보다 3배나 더 큰 광전류(photocurrent)를 생성한다는 것을 확인할 수 있는데, 이것은 Cu2O/CuO 이종접합 광 음극이 Cu2O 박막 광음극보다 훨씬 더 우수한 광전기 화학적 물 분해 성능을 갖추고 있다는 것을 가리킨다. Cu2O/CuO 여기서, 0.1에서 −0.32 V 사이의 인가 전압 조건에서는 광전기화학적 태양광 물 분해를 통한 수소 생산이 사실상 이루어지지 않는 반면에, 광전류 변화 효율이 −0.32 V부터 증가하기 시작하여−0.6 V까지 꾸준히 상승한다는 것을 알 수 있다.
- 후)분해전극으로서">분해 전극으로서 효과적으로 작동한다는 사실을 가리킨다. 제작된 Cu2O/CuO 이종접합 광음극의 광전류 변환 효율은 −0.6 V (vs. Hg/HgCl2)에서 1.27 %에 이르는 것으로 추산되었다. 게다가 Cu2O/CuO 측정된 광전기화학적 전류 밀도-전압(J-V) 특성 곡선들로부터 Cu2O/ CuO 이종접합 광음극이 무시할 만한 암흑 전류와 높은 광전류 밀도, 예를 들면, −0.6 V (vs. Hg/HgCl2)에서 −1.05 mA/cm2의 전류 밀도를 나타낸다는 것을 알 수 있었는데, 이것은 Cu2O/CuO 이종접합 광음극이 태양광물 분해 전극으로서 효과적으로 작동한다는 사실을 가리킨다.
후속연구
- 27 %에 이르는 것으로 확인된다. CuO2의 경우에 광전류 변환 효율의 이론적 최대값이 대략 18 %에 이른다는 추정 결과를 감안하면,6) Cu2O 기반 광전기화학적 물 분해 소자에 대한 후속 연구가 더 필요하다.
- 후)광전기 화학적">광전기화학적 특성을 체계적으로 조사하였다. 여기서 전기화학적 방법으로 제작된 산화물 반도체 Cu2O/CuO 이종접합 구조체가 낮은 비용, 높은 성능의 수소 생산용 광전기화학적 전극으로서의 가능성이 유망하다는 점이 제시될 것이다.
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