광전기화학 전류밀도 (Si 광음극, HER)

0 V vs RHE에서의 광전류 밀도 (Jsc, mA cm⁻²) 및 포화/한계값으로, Si 기반 광음극의 PEC 수소 발생 반응에 대한 값. 측정 조건: 1 M HClO₄ (pH 0), AM 1.5G / 100 mW cm⁻², Ag/AgCl 기준전극을 RHE로 환산 (see Sim et al., J. Mater. Chem. A (2013), Table 1, Fig. 2c).

주요 값 (다출처 교차 표, paper_025 시드):

모든 값은 Sim et al., J. Mater. Chem. A (2013), Table 1 참조.

내부 모순 (출처에서 지적됨): 54.1 mA cm⁻²는 1.1 eV Si 흡수체의 이론적 AM 1.5G 상한값인 43.6 mA cm⁻²를 초과하며, 저자들은 이를 밴드갭 이하의 결함 상태(IR) 흡수에 의한 것으로 귀속하나 완전히 해명하지는 못하고 있다 (PDF p. 4).

paper_032 — 평면형 Si 위의 N-도핑 그래핀 (조사 조건: AM 1.5G 100 mW cm⁻², 1 M HClO₄, pH 0): N-doped-monolayer-graphene–Si J@0V = 5.5 mA cm⁻² (bare Si ~0.2 mA cm⁻² 대비); pH 0에서 10,000 s 후에도 >4.8 mA cm⁻² 안정 유지 (see Sim et al., Energy Environ. Sci. (2013), Fig. 1a, Fig. 4c). Pt–NGr–Si의 개시 전위 +0.35 V vs RHE는 높은 충전율(fill factor)을 의미하나 (J@0V는 미기재).

paper_035 — N-GQS 조촉매: N-doped-graphene-quantum-sheet를 bare Si에 적용하면 J–E 곡선이 bare Si 대비 ~0.35 V 양의 방향으로 이동하며, 다공성 Si에 적용 시 추가적인 개시 전위 향상이 나타남 (see Moon et al., Adv. Mater. (2014), Fig. 5c, Table S₁; 동일 조건, 1 M HClO₄).

비교 불가 구조: paper_032 NGr–Si (5.5 mA cm⁻²)와 paper_025 NW (10.65 mA cm⁻²)는 구조 (평면형+촉매 vs 나노구조화)에서 차이가 있으며, 두 경우 모두 과염소산 수용액에서 AM 1.5G 조사 하의 음극 HER에 해당하므로 동일 표에 수록되지만 순위 비교는 적절하지 않다.

반응 구분 참고: 이 값은 음극 HER 광전류 (0 V vs RHE에서의 광음극)에 해당한다. 적철광 광양극의 상보적인 양극 물 산화 광전류는 photocurrent-density-pec (paper_022) 참조; 두 값은 직접 비교할 수 없다.

paper_057 — CO₂RR (HER 아님): silicon-nanowire-photocathode (8 µm)에 N-GQS-hydrothermal을 적용하여 CO₂ 포화 아세토니트릴 용매에서 J = 7.07 mA cm⁻² @ −2.5 V vs Ag/Ag⁺ 측정 (see Yang et al., Adv. Funct. Mater. (2015), Table 1). ⚠ 이는 비수계 용매에서 Ag/Ag⁺ 기준전극으로 측정된 음극 CO₂ 환원 반응으로, 위의 HER 항목과 반응 반쪽, 용매, 기준전극이 모두 다르므로 동일 척도로 교차 순위 비교가 불가하다.

paper_061 — MoS₂/p-Si HER (평면형 + TMD 촉매): n-MoS₂-p-Si-photocathode (13 nm 전사 2H-MoS₂-thermolytic-film), AM 1.5G, 100 mW cm⁻², 0.5 M H₂SO₄: J @ 0 V vs RHE = 24.6 mA cm⁻² (see Kwon et al., Energy Environ. Sci. (2016), Fig. 3a). paper_025 Si NW J@0V = 10.65 mA cm⁻²와 비교 시, 두 경우 모두 음극 HER에 해당하지만 평면형 p-Si + TMD 촉매 vs 나노구조화 bare Si (촉매 없음)로 구조가 상이하여 단순 교차 비교는 적절하지 않다.

paper_063 — Pt/TiO₂-NR/평면형 p-Si HER (반사 방지 방식): Pt-TiO₂-NR-Si-photocathode (시료 S₆), 0.5 M H₂SO₄, AM 1.5G, 1 sun: Jsc = 40 mA cm⁻² @ 0 V vs RHE — 당시 평면형 p-Si 기준 최고값으로 보고됨 (see Andoshe et al., J. Mater. Chem. A (2016), Fig. 4a). Bare 평면형 Si (S₁)는 포화 전류 ~32 mA cm⁻²이며, 성능 향상은 평탄한 웨이퍼 위의 graded-refractive-index-antireflection에 의해 구현된다. J @ −0.4 V ≈ 45 mA cm⁻²로 Si 이론 한계 (44 mA cm⁻²)를 소폭 초과하며, 이는 TiO₂의 UV 흡수에 기인한 것으로 귀속되나 실험적으로 분리 검증되지는 않았다. paper_061 (24.6 mA cm⁻²)과 동일한 전해질을 사용하나 보호층 및 촉매 전략이 상이하다.

paper_075 — 평면형 p-Si 위의 다층 CVD 그래핀 HER: 포화 Jsc는 그래핀 층수 증가에 따라 단조 감소 하여 bare Si 31.1 → 4층 24.9 mA cm⁻² (550 nm에서 층당 ~2.3% 투과도 손실; see Sim et al., ACS Appl. Mater. Interfaces (2017), Fig. 3a). 플라즈마 처리 2층 double-layer-graphene-photocathode은 +0.15 V vs RHE에서 −1 mA cm⁻² 개시 전위에 도달 (Table S₁). ⚠ 구조는 평면형 p-Si, NW 없음 (paper_025/057과 상이); 층수 증가에 따른 전류 손실은 graphene-layer-count-band-alignment의 밴드 정렬 이득과 광 투과도 간의 상충 관계에 해당한다.

paper_095 — NiMo/p-Si 광음극 (RED 보조 HER): NiMo-photocathode (NiMo/p-Si), AM 1.5 G, 0.1 M 인산염 완충액 pH 7.0 조건에서 광제한 Jmax = 23 mA cm⁻² 도달 (see Lee et al., Sci. Rep. (2017), Figs. 2b, 4). 독립형 2전극 구성에서는 >2.5 V의 추가 외부 전원 공급이 필요하며, ≥20쌍의 RED 이온교환막 (RED-stack)이 부족 전압을 공급하면 (RED-dual-function-separator-voltage-source) 무편향 조건에서 광제한 전류에 도달한다. ⚠ 중성 pH 완충액 및 비귀금속 NiMo 촉매를 사용하므로 위의 산성 전해질 Si/MoS₂/TiO₂ 항목과 단순 교차 비교는 적절하지 않다.

paper_110 — Cu₂O 나노섬유 광음극 (수계 CO₂RR, HER 아님): 단상 Cu₂O-nanofiber-photocathode (5 nm TiO₂-ALD-shell), AM 1.5G 100 mW cm⁻², 0.5 M KHCO₃ 조건에서 CO₂ 환원 반응으로 ~1 mA cm⁻² @ 0.4 V vs RHE 도달 — 당시 수계 Cu₂O CO₂ 광전류 최고값으로 보고됨 (see Kang et al., ACS Nano (2018), Fig. 4b). ⚠ 이는 CO₂RR이며 HER이 아님: 반응 반쪽 (CO₂→메탄올, → faradaic-efficiency-CO₂-to-methanol), 전해질 (수계 KHCO₃), 전극 재료가 모두 상이하며, 위의 H₂ 생성 Si/MoS₂/TiO₂ 광음극 항목과 교차 비교 불가.