BiVO4 광전극의 단일접합 및 이종접합을 통한 광전기화학 특성 향상에 관한 연구

Abstract

지속가능한 에너지는 최근 화석 연료 고갈과 환경 문제를 해결해 줄 수 있는 방안으로써 집중적으로 연구 개발이 진행되어 오고 있다. 태양 에너지는 지속가능한 성장에 대한 우려를 해결하기 위한 가장 유망한 대안 중 하나로써, 이는 지표면에 도달하는 태양에너지의 양이 인류에 의해 소모되는 에너지의 양보다 훨씬 많은 에너지를 가지기 때문이다. 혼다-후지시마 효과에 대한 첫 연구가 발표된 이래로, 광화학 물분해는 공해물질의 발생 없이 에너지를 발생시킬 수 있는 매력적인 가능성을 보여주고 있다. 최근 연구자들은 고효율, 저비용, 높은 안정성을 갖는 n형 반도체 광음극의 개발을 위해 많은 연구를 수행해오고 있다. 특히, 산화물 반도체는 낮은 제조 비용과 높은 안정성으로 인해 집중적인 연구가 수행 중인 물질이다. 그러나 상대적으로 높은 에너지 밴드갭으로 인한 낮은 효율은 산화물 반도체의 상용화 걸림돌로 작용하고 있다. BiVO4는 높은 광화학 효율로 인해 최근 주목받고 있는 산화물 반도체 중 하나이다. 그러나 BiVO4의 전자-홀 쌍의 높은 재결합 속도로 인해 에너지 변환 효율의 향상에 제약을 가지고 있다. 본 학위 논문에서는, BiVO4의 특성향상을 위해 단일접합 및 이종접합, 그리고 다중접합에 대한 전략을 제시한다. 도핑을 통해 발생한 페르미 준위 차이를 이용하여 도핑된 BiVO4와 순수한 BiVO4, 그리고 BiVO4의 이종 접합 물질로 주목 받고 있는 WO3와 도핑된 WO3의 접합을 통해 단일접합을 제조하였다. 또한 BiVO4, WO3 간의 이종접합, 그리고 두 종류의 단일접합이 결합된 다중접합을 설계할 수 있는 방법론을 제시하였다. 이러한 설계를 통해 기존 BiVO4 대비 10배에 가까운 광전류 향상을 얻었으며, 본 논문에서 제시된 설계 기술은 다양한 종류의 태양광 기반 에너지 변환소자에 적용이 가능할 것으로 기대된다.