이중층 그래핀 광음극 (2L graphene / p-Si)

붕소 도핑된 p-Si 위에 플라즈마 처리된 CVD 이중층(2L) 그래핀을 적용한 HER 광음극으로, paper_075에 해당한다 (see Sim et al., ACS Appl. Mater. Interfaces (2017)). 발표 당시 탄소 기반 평면형 p-Si PEC HER ABPE 최고값을 기록하였다.

제조

• p-Si (100), 10–15 Ω·cm 기판 위에 PMMA 보조 CVD 그래핀 전사를 순차적으로 수행하며, 층별로 Ar-플라즈마 (10 W RF, 4 s, 120 mTorr)를 적용.
• 2L 그래핀의 두께는 ~1.5 nm이며, ~23.5° 층간 비틀림각을 가지는 무작위 적층 구조(Bernal 적층 아님)로, SAED를 통해 확인됨 (see Sim et al., ACS Appl. Mater. Interfaces (2017), Fig. 2j).

성능

• ABPE 0.32% (AM 1.5G, 100 mW cm⁻²) → solar-to-hydrogen-efficiency; 순수 Si 대비 64배 향상 (0.005%).
• 평탄대 전위 Efb 0.30 V vs RHE (플라즈마 처리 2L) → photocathode-onset-potential.
• 그래핀 일함수 변화 ΔΦGr −1.0 eV (UPS, 플라즈마 처리) → graphene-layer-count-band-alignment.

N-doped-monolayer-graphene (N-플라즈마 경로, paper_032) 및 silicon-nanowire-photocathode (MACE 나노와이어 형상, paper_025)와 구별된다. 2L에서의 최적 거동은 graphene-layer-count-band-alignment에 의해 결정되며, 다층 그래핀은 Si 표면을 추가적으로 부동태화한다 (graphene-Si-surface-passivation).