Solar energy conversion to useable form of energy is a key issue in the society. Among many conversion strategies, photoelectrochemical or solar water splitting is a sustainable and clean method to store solar energy in the form of hydrogen fuels. Hydrogen fuels can solve problems of electrical energy from solar cell, which is hard to be stored and transported stably. Conventionally, researchers have studied photoelectrochemical water splitting using semiconductors and organic dyes; however, these approaches have been struggled by their narrow absorption ranges and instability in aqueous media. To solve the problem, some researchers introduced metal nanostructures to harvest light by surface plasmon resonance. Unfortunately, the importance of relationship between light absorption and charge transfer is underestimated. Here, I suggested photoelectrochemical water splitting structures which consider surface plasmon and hot carrier utilization. The structures are mainly fabricated via thin film processes. It is confirmed that hydrogen is evolved durably. Structural effects of gold nanostrucutres are also investigated. This approach gives insight to improve plasmonic water splitting performance and show possibility to fabricate photoelectrochemical cell based on thin film technology.
현재 사회에서 태양 에너지를 사용 가능한 형태의 에너지로 전환하는 것은 중요한 문제이다. 많은 방법과 기술들 중 광전기화학 물 분해는 태양 에너지를 수소 연료로 바꿀 수 있는 깨끗하고 지속 가능한 방법이다. 수소 형태로 저장된 에너지는 태양 전지를 통한 전기 에너지보다 저장과 운송이 용이하다는 장점을 가진다. 지금까지 이루어진 광전기화학 물 분해 연구는 주로 반도체와 유기 염료들을 이용해서 이루어져 왔으나 좁은 흡광 영역과 불안정성이라는 단점을 효과적으로 해결하지 못했다. 이 문제를 해결하기 위해서 연구자들은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 금속 나노 구조의 흡광을 적용하기 시작했다. 하지만 대부분의 연구들이 빛의 흡광과 전하 이동 사이의 구조적 관계를 크게 고려하지 않았다. 본 연구에서는 금의 표면 플라즈몬과 열 전자를 이용한 광전기화학 물 분해 구조를 제안한다. 이 구조들은 주로 박막 공정을 통해 만들어졌으며 빛의 흡광과 전하 이동에 유리한 구조로 설계 되었다. 실험 결과 물 분해를 통해 수소를 안정적으로 발생시킴을 확인하였다. 또한 금의 나노 구조가 물 분해에 미치는 구조적 효과도 연구되었다. 이 연구는 플라즈몬 기반 물 분해 성능을 향상시킬 수 있는 통찰을 주고, 박막 공정을 통한 광전기화학 전지 제작에 대한 가능성을 보여준다.
