mechanism

Graphene Si surface passivation

그래핀 Si 표면 패시베이션

등각(conformal) CVD 그래핀을 물리적 확산 장벽으로 활용하여 수용액 전해질 내 Si 산화를 억제한다. PMMA 보조 전사법을 통해 N-doped-monolayer-graphene (또는 비도핑 그래핀)을 Si 광음극 위에 적층함으로써, PEC 구동 중 SiO₂ 생성을 억제한다 (see Sim et al., Energy Environ. Sci. (2013), Fig. 3c–d).

0 V vs RHE에서 10,000 s 정전류법(chronoamperometry) 전후 XPS Si 2p 분석: 그래핀/N-도핑 그래핀 피복 Si의 경우 SiO₂ 피크(103.3 eV) 성장이 무시 가능한 수준인 반면, 비피복 Si에서는 뚜렷한 증가가 관찰됨.
안정성: pH 6.8에서 비피복 Si의 onset 전위는 30회 CV 사이클 이내에 ~1.1 V 붕괴되는 반면, NGr–Si의 onset 이동은 300 사이클에 걸쳐 <0.24 V 로 유지됨 (see Sim et al., Energy Environ. Sci. (2013), Fig. 4a–b).
pH 6.8 정전류법: 비피복 Si는 1,000 s 이내에 열화되는 반면, NGr–Si는 정규화 전류 >30%를 유지하며 10,000 s 후 pH 0에서 4.8 mA cm⁻² 를 유지함 (Fig. 4c).

다층 확장 (paper_075, 2017)

paper_075는 단일층 패시베이션을 다층 체계로 확장한다: 평면 p-Si 위에 증착된 그래핀 코팅(1–4L)은 12,000 s에서 초기 광전류의 27–38%를 유지한 반면, 비피복 Si는 ~2,000 s에서 열화된다 (see Sim et al., ACS Appl. Mater. Interfaces (2017), Fig. S₅). 동일한 다층 double-layer-graphene-photocathode 구조는 밴드 정렬 조율(능동적, graphene-layer-count-band-alignment)과 Si 패시베이션(보호적) 기능을 동시에 수행하며, 이 두 기능은 paper_075에서 함께 다루어진다.

그 메커니즘은 순수히 물리적(장벽층)인 것으로, 동일한 NGr 층의 촉매적 기능인 N-doped-graphene-HER-catalysis와는 구별된다.