초록 ▼

연구의 목적 및 내용:
본 과제에서는 GaN 기반 반도체를 광전극으로 하여 높은 화학적 안정성과 함께 고효율을 구현할 수 있는 방법을 제시하고자 한다. GaN계 광전극 내에 삽입할 수 있는 밴드갭이 조절된 흡수층을 개발하고, 광전극의 표면에 나노구조를 도입하여 광의 진행, 포획, 흡수 특성을 변화시키고자 한다. 이와 함께 단일 광전극의 특성개선을 바탕으로 하이브리드 혹은 탄뎀 구조를 도입하여 수소생성 효율을 더욱 향상 시키고자 한다.

연구결과:
본 과제의 목표는 GaN계 물질을 기반으로 고효율 광전극을 구현하

연구의 목적 및 내용:
본 과제에서는 GaN 기반 반도체를 광전극으로 하여 높은 화학적 안정성과 함께 고효율을 구현할 수 있는 방법을 제시하고자 한다. GaN계 광전극 내에 삽입할 수 있는 밴드갭이 조절된 흡수층을 개발하고, 광전극의 표면에 나노구조를 도입하여 광의 진행, 포획, 흡수 특성을 변화시키고자 한다. 이와 함께 단일 광전극의 특성개선을 바탕으로 하이브리드 혹은 탄뎀 구조를 도입하여 수소생성 효율을 더욱 향상 시키고자 한다.

연구결과:
본 과제의 목표는 GaN계 물질을 기반으로 고효율 광전극을 구현하기 위한 원천기술을 개발하는 것이다. 구체적인 연구개발의 목표를 (1) 낮은 밴드갭의 흡수층 개발, (2) 나노구조의 도입, (3) 하이브리드 및 탄뎀 소자구조 적용으로 나눌 수 있다.
낮은 밴드갭의 흡수층은 GaN 위에 성장가능한 물질 중에서 가장 우수한 발광특성을 갖는 InGaN을 성장함으로써 구현할 수 있는데, 충분히 큰 In 조성을 갖는 에피층의 성장기술을 개발하고 수소생성 광전극에 적용하였다.
이와 함께 나노포러스 구조 또는 나노막대를 제작하고, 나노구조의 도입에 의한 물분해 수소생산의 효율 증가를 측정하였다. 개발된 InGaN 나노 구조에 대해, 광의 진행, 포획, 흡수 특성의 변화를 조사한다. 또한 나노구조 광전극이 수소생산 효율 향상과, 표면 부식 특성에 미치는 영향을 분석하였다.
최종적으로 개발된 흡수층과 나노구조를 결합시켜 가시광 영역에서 높은 광흡수율을 가지면서, 격자결함이 없는 우수한 광전극 구조를 개발하였다. 나노구조는 스트레인에 의한 변형이 용이하여 두꺼운 InGaN을 변형없이 성장하기에 적합한 템플릿으로 역할 할 수 있다. InGaN/GaN 양자우물 나노막대를 성장하여 우수한 물분해 특성을 구현하였다. 또한 NiO 조촉매에 의한 물분해 광전극 안정성 향상을 연구하였고, 이를 최적화된 광전극 구조에 적용하여 광전극의 안정성을 크게 향사시킬 수 있었다.

연구결과의 활용계획:
본 과제의 연구개발 결과는 태양광 에너지를 활용의 새로운 방법인 물분해 수소생산에서 광범위한 활용이 가능할 것이다. 기존 태양전지와 달리 태양광 기반의 수소생산은 에너지 운반체가 수소이므로, 상대적으로 에너지 저장과 수송이 용이한 장점이 있다. 과제에서 제안된 새로운 반도체 기반 광전극은 태양광 기반 수소생산의 효율을 증가시켜 생산가격을 낮출 수 있을 것으로 판단되며, 결과적으로 기존 전기분해를 대체하는 새로운 태양광 재생에너지원으로 큰 활용도를 가질 것으로 예상할 수 있다.

Abstract ▼

Purpose & contents:
Solar based hydrogen production is based on water splitting by solar energy. A highly efficient and stable photoanode, that is a key in photoelectrolysis system for water splitting, is very important for the competitive production of hydrogen compared to water electrolysis. In

Purpose & contents:
Solar based hydrogen production is based on water splitting by solar energy. A highly efficient and stable photoanode, that is a key in photoelectrolysis system for water splitting, is very important for the competitive production of hydrogen compared to water electrolysis. In this research, we will develop a photoanode with good stability as oxide and high efficiency as semiconductor. GaN is a good candidate for the photoanode when combined with low bandgap InGaN and GaNSb. Nanoporous structure will be made by electrochemical etching technique, and its effect on water splitting efficiency and surface corrosion will be analyzed. More progress will be achieved by integrating the photoanode with photovoltaic device, which gives the hybrid design.

Result:
The target of this project is developing basic technology for the high efficiency water splitting photoanode. It was achieved by each topics of the project (1) growth of low bandgap material on GaN, (2) using nanoporous/nanorod structure, (3) applying NiO cocatalyst for improved stability.
Low bandgap material can be realized by InGaN with advanced growth technology, and they are used for the photoanode for hydrogen production. They were etched nanoporously by electrochemical etching technique or they can be grown on GaN nanorod for higher hydrogen generation efficiency and better stability. The nanoporous/nanorod structure enhances the controllability of light by scattering, guiding, absorption inside it. Moreover, the increased surface area of nano structure relieves the current crowding effect at the semiconductor/electrolyte interface. Therefore, the nano design gave better chance for higher efficiency photoanode and optimized nanostructure will be studied theoretically and experimentally.
Finally the photoanode was integrated with NiO cocatalyst for improved water splitting performance. The staggered band alignement of GaN/NiO promotes the photo carrier separation and hole accumulation at GaN/electrolyte interface was relieved. It retarded the surface corrosion during water splitting a lot and helped to improved solar to hydrogen efficiency by optimized GaN design and NiO cocatalyst.

Expected Contribution:
This research will propose high efficiency and stable photoanode in solar based water splitting system. A solar cell generates electricity, that is hard to store and reuse. However, hydrogen, in which the energy is stored as chemical bonding energy, is more convenient form of energy so that energy storage is easily achieved.
Current hydrogen generation relies on electrolysis of water which consumes electricity that was made by mostly fossil fuels. But the solar based water splitting is a new technique without any energy and environmental issues. With the reduction of production cost of hydrogen with this method, it will be a dominant method of utilizing solar energy and hydrogen production.