A novel strategy for an efficient and stable Si photoanode for photoelectrochemical water splitting reaction

Abstract

실리콘 (Si)은 지구상에 풍부한 물질로서 값이 저렴하며, 태양 스펙트럼의 대부분을 흡수할 수 있는 알맞은 밴드갭 에너지를 갖고 있기 때문에 광전기화학적 물분해 반응을 위한 매우 훌륭한 재료라고 할 수 있다. 하지만 실리콘을 물 산화 반응을 위한 광음극으로 사용할 경우 실리콘의 표면이 매우 쉽게 산화 될 뿐만 아니라 심지어 부식 되어 사리질 수도 있기 때문에, 실리콘을 고효율 물분해 광전기화학셀(PEC) 로써 이용하기 위해서는 산화 및 부식 방지 구조가 필수적이다. 이에 본 논문에서는, 수용액 안에서 비교적 안정한 두꺼운 유전체 필름 (i.q. SiO2 ~110nm)과 포토리소그라피 (photolithogoraphy) 식각 공정을 통해 형성된 마이크로 미터 크기의 촉매 패턴 구조를 실리콘 표면에 형성함으로써 고효율 반부식성 실리콘 광음극 구조를 설계하였다. 해당 광전극 구조는 실리콘 표면이 유전체 필름과 패턴 형태의 촉매 구조로 인해 전해질로부터 완전히 격리 되기 때문에 장시간 물 산화 반응 동작에도 매우 안정하며, 이 두 부분이 독립적으로 분리 되어 있기 때문에 각각의 부분을 독자적으로 개선이 가능한 고효율 장수명 광전극 구조라고 할 수 있다. 먼저 본 연구진은 SiO2 필름과 패턴 형태로 증착 된 Pt 촉매 층으로 보호된 실리콘 광전극을 이용하여 본 구조의 광전기화학적 특성을 확인하였으며, 촉매 영역과 광흡수체 영역을 조절함으로써 촉매영역의 증가에 따른 광전기화학적 성능의 변화를 통해 해당 광전극 구조의 최적화 설계가 어떻게 이루어져야 하는지 확인할 수 있었다. 또한 Ni 촉매를 이용한 해당 광전극 구조에서 물산화 전위에서 (1.23V vs RHE) 약 17mA/cm2 의 광전류를 생성하는 고효율 실리콘 광음극을 제작하였으며, 해당 광전극은 24시간 동작 후에도 전류 밀도의 감소나 전극의 손상 없이 동작이 지속적으로 동작이 됨을 확인하였다. 또한, 해당 광전극 구조는 물산화 반응뿐만 아니라 물 환원 반응, 이산화 탄소 환원 반응을 위한 광양극 등의 다양한 광전기화학 셀에 적용이 가능한 기술로 안정성과 효율성을 모두 만족시킬 수 있는 구조이기 때문에, 향후 광전기화학셀 분야를 이끌어 갈 수 있는 기술이라고 생각된다.