태양광-수소 생산을 위한 1차원 나노막대 형상의 산화구리 광전극 성장 및 분위기 열처리 제어를 통한 광전기화학적 특성 향상 연구

Abstract

화석연료의 무분별한 사용으로 인한 환경오염과 지구온난화 문제를 해결하기 위하여 광전기화학 셀을 이용한 ‘태양광-물 분해 수소 생산 기술’ 에 대한 관심이 크게 증대되고 있다. 효율적인 광전기화학 셀은 광흡수 특성 향상 및 효율적 작동을 위하여 크게 3가지 관점에서 연구되고 있다. 전하생성, 전하분리/수송 및 전하전달 효율을 동시에 최적화해 각 과정에서 전자-정공의 재결합율(recombination)을 최소화 시키는 것이 고효율의 광전기화학 셀을 얻기 위해 매우 중요하다. 본 연구에선 넓은 스펙트럼의 태양광 흡수를 위한 작은 밴드갭(band gap)과 수소 발생이 가능한 물의 환원 준위를 포함하고 있는 밴드 위치(band position)를 가진 산화구리(Cupric oxide)를 간단한 졸-갤법(sol-gel)과 수열합성법(hydrothemal)을 이용하여 1차원 나노막대구조로 합성하였다. 1차원 나노막대구조 산화구리는 80oC에서 3시간30분 반응시간과 450oC에서 1시간 최종열처리 온도에서 최대 광전류 밀도를 보였다. 1차원 나노막대구조 산화구리는 전하의 운반체 이동거리를 단축하여 전자/정공의 분리도/이동도를 높였으며, 전하 재결합율을 최소화 하였다. 빛 산란효과를 통해 빛 흡수율도 증가하였다. 3가지 산소 유량(flow rate)으로 분위기 열처리(450oC/1시간)를 하여 광전기화학적 특성을 비교하였다. 1차원 나노막대구조 산화구리를 산소분위기 열처리를 통해서 기존에 보고된 산화구리(cupric oxide) 광전극보다 높은 광전류 밀도를 보였다.