There are various approaches to replace existing coal fuel. One of famous studies is using solar energy for generating hydrogen fuel through water splitting due to abundancy and high intensity of solar light without contaminating environment. However, water splitting is a non-spontaneous reaction to occur under solar energy in the standard condition. Therefore, lots of studies on photoelectrochemical (PEC) water splitting with semiconductor or metal/semiconductor composite are suggested. $TiO_2$ is one of materials, which can absorb solar light and generate electron and hole for water splitting reaction with proper energy states and stability in a solution. However, $TiO_2$ have efficiency problems of absorbing only ultra-violet due to large band gap and fast recombination of photogenerated electron and hole. In this study, $TiO_2$ nanotube arrays are used to enlarge their active surface area and to elongate charge carriers' diffusion length that suppress charge recombination for higher efficiency. Also, dopant (or defect) levels are introduced into $TiO_2$ band gap to improve photocatalytic activity by a carbon doping. Dopant levels lie above the valence band of $TiO_2$, and help absorbing visible light and form oxygen vacancies. Oxygen vacancies can suppress the recombination of photo-generated electron and hole. Thus carbon dopants can give extra available charge carriers to the system. The carbon dopant concentrations were varied to observe quantitative effects of dopants. Additionally to characterizations of samples, current density and IPCE were tested with three electrode cell under simulated solar light. Through the study, it is examined that concentrations affect dopant level formation and sufficient amount is needed for photocatalytic activity improvement. This is well coincided with several theoretical studies which state that carbon dopants concentration is an important factor for improvement of $TiO_2$ efficiency for PEC water splitting.
기존의 탄소 연료를 대체하기 위해 자연 에너지를 활용하는 방안이 여러 방면으로 실험되고 있다. 그 중 태양 에너지를 이용, 물 분해를 통해 산소와 수소를 생성하는 연구가 활발하다. 그러나 물 분해는 자연에서 자발적으로 진행되지 않는다. 따라서 반도체를 통한 태양 에너지의 흡수 및 물 분해에 필요로 하는 전자와 홀을 생성으로 반응을 진행하는 광전기화학적 물 분해에 대한 많은 연구가 발표되었다. $TiO_2$는 물 분해를 위한 적합한 에너지 전위를 갖고 있으며 안정하여 광전기화학적 물 분해에 적절하다. 그러나 $TiO_2$는 자외선만을 흡수하고 생성된 전자-홀의 재결합이 매우 빨라 효율이 떨어지는 문제가 있다. 본 연구에서는 $TiO_2$ 나노튜브 구조체를 바탕으로, 탄소 도핑을 통해 $TiO_2$의 밴드 갭에 도판트 레벨을 제시하여 $TiO_2$의 광전기화학적 특성을 보완하였다. 도판트 레벨은 전도대와 가전자대 사이에 위치하며, 가전자대에 더 가까이 생성되어 가시광선의 흡수를 도울 뿐만 아니라 산소빈자리를 생성해 전자와 홀의 재결합을 늦춘다. 이 때 탄소 도판트의 농도를 달리해 도판트 레벨의 양적 영향을 측정하였다. 이는 전류밀도와 외적 양자 효율을 통해 측정하였으며, 여러 이론 실험과 흡사하게 농도의 차이가 도판트 레벨 형성에 영향을 주며, 적합한 양이 될 때 광촉매적 특성이 증가함을 확인하였다.
