Fossil fuel depletion and global warming are significant challenges associated with the development of national economies. To mitigate the environmental impact and reduce greenhouse gas emissions, there is a growing need to transition towards new and renewable energy sources. Hydrogen, with its high energy storage density and transportability, has emerged as a promising alternative to fossil fuels. It can be utilized in various applications such as internal combustion engines and fuel cells, offering the advantage of producing no greenhouse gas emissions, particularly carbon dioxide, during combustion. However, the current predominant method of hydrogen production, which relies on natural gas, still results in carbon dioxide emissions, limiting its environmental benefits. Therefore, the development of nature-friendly hydrogen production methods, such as photoelectrochemical water splitting using sunlight, has gained attention. In this process, a photoelectrochemical electrode absorbs sunlight in an electrolytic cell and facilitates the electrochemical decomposition of water into hydrogen and oxygen. To achieve efficient and stable performance, it is crucial to ensure both a high light absorption rate and electrolyte stability in the photoelectrochemical electrode.
This paper presents an effective strategy for fabricating high-efficiency and stable photoelectrochemical electrodes. Specifically, it focuses on the selection of well-studied materials for photoelectrochemical electrodes and the incorporation of nanostructures to enhance performance while mitigating corrosion diffusion. Chapter 1 outlines the importance of developing environmentally friendly hydrogen production methods to address the pressing issue of global warming. It provides a theoretical background and discusses the requirements for photoelectrochemical electrodes and the development of nanostructures to improve performance.
Chapter 2 demonstrates the efficiency improvement achieved through the fabrication of well-aligned silicon nano-hole photoelectrodes using the metal-assisted chemical etching method developed in this study. By utilizing an electric field to inhibit hole diffusion during etching, well-aligned nanoholes are formed, reducing light reflectance. The reduced surface porosity effectively lowers the recombination rate of electrons and holes, resulting in improved photoelectrochemical performance.
Chapter 3, nanopixelated copper oxide photoelectrodes are fabricated to enhance optical properties and stability by impeding corrosion propagation. A novel electrode structure is introduced, featuring isolated nano-pixelated electrodes that enhance light absorption while minimizing corrosion at defect sites.
By employing these strategies, the paper aims to advance the development of high-performance photoelectrochemical electrodes with improved efficiency and stability, contributing to the realization of sustainable hydrogen production.
국가 경제가 발전함에 따라 나타나고 있는 화석연료 고갈 및 지구 온난화 문제는 반드시 해결해야할 문제로 언급되고 있다. 증가하는 에너지 소비량에 맞춰 발생하는 온실가스를 줄이기 위해 신재생 에너지 개발이 요구되고 있으며, 대표적인 에너지원 중 수소는 에너지 저장 밀도가 높고 이동이 용이하여 화석연료를 대체할 유력한 에너지원이라 할 수 있다. 또한 수소는 내연기관이나 연료전지 등 다양한 기기에 적용이 가능하며, 연소 과정에서 이산화탄소와 같은 온실가스를 전혀 배출하지 않는 장점을 갖고 있다. 하지만 현재 대부분의 수소는 천연가스를 사용하여 이산화탄소 배출이 동반되므로 환경 문제에서 완전히 벗어날 수 없다. 따라서 수소를 제조하는 방법 중 자연친화적인 방법으로 태양광을 이용해 수소와 산소를 생산하는 광전기화학적 물분해 전극이 개발되고 있다. 광전기화학 전극은 전해조에서 태양광을 흡수하고 물을 전기화학적으로 분해하는 반응에 참여하므로 높은 광흡수율과 전해질에서의 안정성 확보가 모두 이루어져야 한다.
본 논문에서는 높은 효율과 안정성을 갖는 광전기화학 전극 제작에 대한 효과적인 전략을 제시한다. 구체적으로, 광전기화학 전극으로 널리 연구되고 있는 재료를 선정하고 나노구조를 형성함으로써 더 많은 빛을 흡수하는 구조를 만들고 전극의 부식 확산이 제한된 고성능의 광전기화학 전극에 대한 연구를 소개한다.
1 장에서는 수소 에너지의 필요성과 광전기화학 전극에 관한 연구 배경을 소개한다. 구체적으로, 커져가는 지구 온난화 문제를 해결하기 위하여 친환경적 수소 생산 개발의 중요성을 설명하며 광전기화학 전극에 대한 이론적 배경과 필요조건, 성능 향상을 위한 나노구조 개발에 대해 소개한다.
2 장에서는 본 연구에서 개발한 전기장을 통한 금속 보조 화학적 식각 방법 통해 잘 정렬된 실리콘 나노 홀 광전극을 제작하여 효율 향상을 보여준다. 전기장을 이용하여 식각 시 정공의 확산을 막아 잘 정렬된 나노 홀을 제작해 빛 반사율을 줄이고, 감소된 표면의 다공성으로 전자와 정공의 재결합률을 낮춰 향상된 광전기화학적 성능을 나타낸다.
3 장에서는 나노픽셀화 산화구리 광전극을 제작하여 광학적 특성 향상뿐만 아니라 부식의 전파를 막아 향상된 안정성을 보여준다. 고립된 구조의 나노픽셀화 전극을 통하여 광흡수 증가뿐만 아니라 결함이 생길 시 부식이 발생한 픽셀 전극만으로 제한하는 새로운 전극의 구조를 소개한다.
본 연구를 통해 효율성과 안정성이 향상된 고성능 광전기화학 전극 개발을 진행하여 지속 가능한 수소 생산 실현에 기여하는 것을 목표로 한다.
