Metal oxide semiconductors are drawing much attention for low cost photoelectrochemical (PEC) water splitting cells because of material abundance and facile synthetic methods. $CuBi_2O_4$ is a p-type semiconductor with band gap of 1.5-1.8 eV and is promising for a top layer in double junction tandem PEC devices. However, $CuBi_2O_4$ (CBO) is suffering from low hydrogen evolution reaction (HER) photocurrent density from poor charge transport in $CuBi_2O_4$ and charge injection kinetics at the CBO/electrolyte interface. Here, we demonstrate $CuBi_2O_4$ and CuO bilayer thin films prepared by simple solution process for improved PEC HER. A CuO layer is introduced to enhance light absorption for its smaller band gap (~ 1.2 eV). For the tandem electrodes prepared by simple drop casting followed by annealing, PEC ORR performance was higher when CuO layer was on top of $CuBi_2O_4$ under AM 1.5G illumination. We suggest that conduction band edge alignment of CuO and $CuBi_2O_4$ improves charge separation between the FTO|$CuBi_2O_4$|CuO and electrolyte interface. For the further improvement of tandem electrode for PEC HER, a spin coating method is introduced utilizing Polyvinylpyrrolidone (PVP) as helping agent. CBO film from spin coating method was highly dense, and the role of PVP-metal interaction toward film formation mechanism is explored. This CBO film was subjected to photoelectrochemical oxygen reduction reaction (PEC ORR) and found that most dense film shows the best ORR performance.
금속 산화물 반도체는 물질의 풍부성 및 손쉬운 합성 방법으로 인해 저비용의 광전기화학 물분해 전극으로 자주 사용된다. $CuBi_2O_4$는 밴드 갭이 1.5-1.8 eV 인 p 형 반도체이며 이중 접합 탠덤 광전기화학 소자의 상층전극에 적합하다. 그러나, $CuBi_2O_4$ (CBO)는 전하 수송 및 CBO-전해질 계면에서의 전하 전달이 느려 수소 발생 반응(HER)에서 낮은 광전류 밀도를 보인다. 여기서는 개선된 PEC HER 을 위해 간편한 드롭캐스팅 후 소결법으로 탠덤 CBO/CuO 박막을 합성했다. 광흡수 향상을 위해 약 1.2eV의 작은 밴드갭을 갖는 CuO 층을 도입하였다. PEC ORR 성능은 AM1.5G 조명 하에 CBO 위에 CuO 층이 있을 때 더 높았다. 우리는 CuO와 CuBO의 전도띠 배치가 FTO|$CuBi_2O_4$|CuO 탠덤 전극과 전해질 계면 사이의 전하 분리를 향상시킴을 제안하였다. 광전극의 PEC HER 에 대한 추가 개선을 위해 보조제로 Polyvinylpyrrolidone (PVP)를 사용하는 스핀 코팅 방법을 도입하였다. 스핀 코팅 방법으로 고밀도 CBO 박막을 얻을 수 있었으며, 막 형성 메커니즘에 대한 금속과 PVP간의 상호 작용의 역할을 탐구했다. 이 CBO 필름을 광전자 화학 산소 감소 반응 (PEC ORR)에 적용하여 가장 조밀 한 필름이 최상의 ORR 성능을 나타내는 것을 확인하였다.
