Silicon nanowire photocathode
Silicon nanowire photocathode
MACE 식각된 p형 (100) Si 나노구조체로, 수소 발생을 위한 PEC 광음극으로 연구되었다. 붕소 도핑된 p형 (100) Si (10–15 Ω·cm)은 AgNO₃/HF metal-assisted-chemical-etching에 의해 형상화되며, 형태는 다공성 (<120 min) → 다공성+NW 혼합 (~120 min) → NW 성장 (>120 min, 480 min에서 최대 38.0 μm)으로 변화한다 (see Sim et al., J. Mater. Chem. A (2013), Fig. 1).
PEC 성능은 29.3 μm NW에서 최적값을 나타내며, 이는 촉매를 전혀 사용하지 않은 조건에서 얻어진 결과이다 (see Sim et al., J. Mater. Chem. A (2013), Table 1):
- J @ 0 V vs RHE = 10.65 mA cm⁻² (평면 Si 대비 약 43배; see photoelectrochemical-current-density)
- 개시 전위 = 0.38 V vs RHE (평면 대비 250 mV 향상; see photocathode-onset-potential)
- 태양광-수소 변환 효율 = 0.48% (see solar-to-hydrogen-efficiency)
한편, 다공성 + 1.5 μm NW (120 min) 구조에서 한계 전류밀도 54.1 mA cm⁻²로 최댓값을 나타낸다 (Table 1). 이러한 구조적 향상은 nanostructure-enhanced-PEC 개념에 해당하며, 출발 웨이퍼는 p-type-Si-substrate이다.
CO₂→CO 광음극 (paper_057, 2015)
동일한 MACE (AgNO₃/HF, 50 min, 8 µm NW) Si 나노와이어를 CO₂→CO 반응의 광음극으로 사용한다 (paper_025의 HER에 국한되지 않음). 아세토니트릴 용매 내에서 수열 합성 N-GQS-hydrothermal 촉매를 적용한 경우 (see Yang et al., Adv. Funct. Mater. (2015), Table 1):
- 개시 전위 −1.53 V vs Ag/Ag⁺ (나노와이어 단독의 −1.78 V 대비; 약 200 mV 향상)
- J = 7.07 mA cm⁻² @ −2.5 V vs Ag/Ag⁺ (photoelectrochemical-current-density)
- FE(CO) 95% (faradaic-efficiency-CO)
8 µm가 최적 길이이며, 과도한 길이 (12 µm)는 표면 트랩에 의해 J–E 곡선을 음극 방향으로 ~100 mV 이동시킨다. (⚠ Ag/Ag⁺ 아세토니트릴 기준전극은 위의 HER 값 또는 paper_053의 Au CRD에 사용된 수계 vs-RHE 척도와 직접 비교할 수 없다.)
CNW 분지형 HER 광음극 (paper_106, 2018)
동일한 MACE p-Si (100) NW (10–15 Ω·cm, 밀도 제어를 위한 2회 식각)를 골격으로 사용하여, Cu-vapor-CVD-direct-CNW-growth를 통해 계층적 분지 구조의 탄소 나노와이어 광음극 (CNW-SiNW-photocathode)을 제작한다. SiNW 단독 기준값 (AM 1.5G, 1 M HClO₄, pH 0; see Moon et al., Nanoscale (2018), Table S₁):
- 개시 전위 +0.17 V vs RHE @ −1 mA cm⁻², E @ −5 mA cm⁻² = +0.12 V, E @ −10 mA cm⁻² = +0.09 V
- ABPE 0.91%
carbon-nanowire-CNW 코팅 적용 시 개시 전위가 +0.20 V 상승하고 ABPE는 1.86%로 향상된다 (see photocathode-onset-potential, solar-to-hydrogen-efficiency).