Humans have been undergoing the fossil fuel-based industrialization, facing depletion of resource and seri-ous environmental pollution problems. As a result, the demand for sustainable and clean energy sources has been emerging as a common worldwide issue. Under such circumstances, the photoelectrochemical fuel con-version, capable of producing fuels through an electrochemical reaction using sunlight, has been attracting much of attention.
In particular, the photoelectrochemical water-splitting technology for producing hydrogen fuel by inducing photo-electrolysis of water, has been widely researched as a future growth engine. However, light harvesting, charge separation and transport, and surface catalytic reactivity, which are prerequisites for achieving high photoelectrochemical conversion efficiency, cannot be satisfied by a single semiconductor. Therefore, hetero-structure engineering, joining two or more semiconductors, must be considered. Moreover, in order to realize an effective heterojunction structure, appropriate control for the surface and interface, and structure of the hetero-junction should be conducted.
In this study, the structural control of $TiO_2$ into the inverse opal with extended pore was performed to effec-tively introduce the shape-controlled quantum dots as a photosensitizer. With this, the heterostructure pho-toanode with new type of sensitizer can be firstly developed. In addition, p-type $CuFeO_2$ based photocathode was successfully developed by the surface and interface engineering of heterostructures. Given the limited ap-plication of $CuFeO_2$ with superior optoelectronic properties, due to the inherent surface defect, the huge en-hancement in the photo-activity is remarkable.
인류는 화석연료 기반의 산업화 시대를 거쳐오며 자원의 고갈 및 심각한 환경오염 문제에 직면하고 있다. 이에 따라, 지속 가능한 청정 에너지원에 대한 요구가 전 세계적으로 공통된 화두로 떠오르고 있다.
특히, 반도체 기반의 광 전극을 통해 물의 광 전기분해를 유도하여 수소 연료를 생산하는 광전기화학적 물 분해 기술은 미래 성장동력으로써 다양한 연구가 진행 되어 왔다. 그러나, 높은 광 전 변환 효율을 갖기 위해 충족되어야 할 선결 조건인 태양광 흡수, 광 여기 전하 분리 및 수송, 표면 촉매 반응성은 단일 반도체를 통해 충족 되기 어렵다. 따라서, 두가지 이상의 반도체를 접합 하는 이종 접합 구조 제어 기술이 필연적으로 수반되어야 한다. 더욱이, 이종 접합 구조의 효과를 극대화하기 위하여 두 물질 간 표면 및 계면과 구조적 특성을 고려해야한다.
본 연구에서는 $TiO_2$ 기반 감응형 광 음극 내 광 감응제로써 모양이 제어된 양자점을 효과적으로 도입하기 위해 기공이 확장된 역 오팔 구조의 $TiO_2$ 구조 제어를 수행하여 새로운 형태의 광 감응제를 도입한 광 음극을 최초로 개발하였다. 또한, 우수한 물성에도 불구하고 표면 결함으로 활용이 제한되어 온 p-type $CuFeO_2$ 반도체의 광 전극으로의 활용 가능성을 높이고자 표면 및 계면을 개질한 이종 접합 구조의 광 양극 개발에 성공하였다.
