KR102532405B1 - Photoelectrochemical device with increased photostability by using a surface oxide layer and a co-catalyst - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면이 산화층으로 개질된 GaN 필름 및 조촉매를 사용하여 안정성이 향상된 광전기화학 소자에 관한 것이다. 본 발명에 따른 광전기화학 소자는 열처리 과정에 의하여 자연스럽게 성장한 산화물을 도입하여 패시베이션 효과에 의해 안정성이 확보된 광전기화학 소자를 구현할 수 있다. 또한, 촉매를 추가적으로 사용하여 효율이 우수한 광전기화학 소자를 제조할 수 있는 장점이 있다.The present invention relates to a photoelectrochemical device with improved stability using a GaN film whose surface is modified with an oxide layer and a cocatalyst. The photoelectrochemical device according to the present invention may implement a photoelectrochemical device in which stability is secured by a passivation effect by introducing an oxide naturally grown by a heat treatment process. In addition, there is an advantage in that a photoelectrochemical device having excellent efficiency can be manufactured by additionally using a catalyst.

Description

표면 산화층 및 조촉매를 이용하여 광안정성이 증대된 광전기화학 소자{Photoelectrochemical device with increased photostability by using a surface oxide layer and a co-catalyst}Photoelectrochemical device with increased photostability by using a surface oxide layer and a co-catalyst

본 발명은 표면이 산화층으로 개질된 GaN 필름 및 조촉매를 사용하여 안정성이 향상된 광전기화학 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a photoelectrochemical device with improved stability using a GaN film whose surface is modified with an oxide layer and a cocatalyst.

태양광을 통한 수소 생산 기술의 실용화를 위해서는 10% 이상의 태양-수소 변환 효율(solar-to-hydrogen efficiency, STH)과 화석연료 기반 수소 생산 단가 수준의 저렴한 비용이 요구되며, 현재까지 연구되고 있는 시스템은 크게 세 가지로 구분될 수 있다. 첫 번째는 분말 타입의 광촉매(photocatalyst) 기반 시스템으로 현재까지 보고된 최고 효율이 STH 1% 수준으로 매우 낮고, 생성된 산소와 수소를 분리하기 어려워 실용화가 어렵다는 단점이 있다. 현재 가장 성숙된 기술인 태양전지에서 얻어진 전압을 활용하는 태양전지-수전해(photovoltaic-electrolysis, PV-EC) 시스템은 최고 STH 30%의 높은 효율이 달성되었지만, 복잡한 시스템으로 인한 높은 단가가 실용화의 걸림돌이 된다. 반면, 흡수층과 촉매가 하나의 소자로 통합된 광전극 기반 광전기화학(photoelectrochemical, PEC) 시스템의 경우 저가 재료를 활용하여 생산 단가를 낮출 수 있고 효율 및 복잡성 측면에서 중간단계로 여겨지고 있다.For practical use of hydrogen production technology through solar light, a solar-to-hydrogen conversion efficiency (STH) of 10% or more and a low cost equivalent to the unit cost of fossil fuel-based hydrogen production are required. can be broadly classified into three categories. The first is a powder-type photocatalyst-based system. The highest efficiency reported so far is as low as 1% of STH, and it is difficult to separate the generated oxygen and hydrogen, making it difficult to put into practical use. Currently, the photovoltaic-electrolysis (PV-EC) system that utilizes the voltage obtained from the solar cell, which is the most mature technology, has achieved a high efficiency of up to 30% of STH, but the high unit cost due to the complex system is an obstacle to practical use. becomes On the other hand, in the case of a photoelectrode-based photoelectrochemical (PEC) system in which an absorber layer and a catalyst are integrated into a single device, the production cost can be reduced by using low-cost materials and is considered intermediate in terms of efficiency and complexity.

광전기화학 물분해(PEC)는 물과 태양 에너지를 이용하여 수소 에너지를 발생시킬 수 있는 친환경적인 방법이다. 이에 효율적인 광전기화학 시스템을 구성하기 위하여 전극의 크기 및 구조를 바꾸거나, 촉매를 전극에 함께 합성하는 등의 방법으로 효율을 증대하려는 시도가 이루어져 왔다.Photoelectrochemical water splitting (PEC) is an environmentally friendly method that can generate hydrogen energy using water and solar energy. In order to construct an efficient photoelectrochemical system, attempts have been made to increase the efficiency by changing the size and structure of the electrode or by synthesizing a catalyst together with the electrode.

PEC 전지는 일반적으로 빛을 흡수하고 전자-정공 쌍을 형성하여 산화환원 반응이 진행될 수 있는 반도체를 사용한다. 그러나, 반도체의 양극 대부분은 물 분해를 위하여 높은 전위에서 작동한다. 또한, PEC 과정에서 내구성이 뛰어난 장치의 설계는 비용을 결정하는 데 중요한 역할을 하기 때문에 매우 중요하다. 그러나 구성 재료의 부식 및 분리로 인해 장기적인 안정성을 달성하는 것이 매우 어려운 것이 현실이다. PEC cells generally use semiconductors that can absorb light and form electron-hole pairs to undergo redox reactions. However, most anodes in semiconductors operate at high potentials for water splitting. In addition, in the PEC process, the design of durable devices is very important because it plays an important role in determining the cost. However, it is very difficult to achieve long-term stability due to corrosion and segregation of constituent materials.

이러한 문제의 해결을 위하여 광전극에 사용할 수 있는 물질을 개발하여야 하고, 금속질화물은 우수한 전자 구조, 높은 전기 전도성 및 적당한 내식성으로 인해 광(전기)화학 반응에서 유망한 응용 분야로 떠오르고 있으나, PEC 장치의 실용화를 위한 연구 개발이 여전히 요구되고 있는 실정이다.To solve this problem, it is necessary to develop materials that can be used for photoelectrodes, and metal nitrides are emerging as promising applications in photo(electro)chemical reactions due to their excellent electronic structure, high electrical conductivity and moderate corrosion resistance. Research and development for commercialization is still required.

본 발명의 목적은 안정성을 확보하여 지속시간이 긴 광전기화학 소자를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a photoelectrochemical device having a long duration by securing stability.

본 발명의 목적은 전자와 정공의 재결합을 감소시켜 높은 광전류 밀도를 나타내는 광전기화학 소자를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a photoelectrochemical device exhibiting high photocurrent density by reducing recombination of electrons and holes.

본 발명의 목적은 간단한 방법을 통하여 안정성 및 효율이 우수한 광전기화학 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a photoelectrochemical device having excellent stability and efficiency through a simple method.

본 발명은 기판 상에 위치하는 제1금속 질화물 박막층; 상기 제1금속 질화물 박막층 상에 위치하는 제1금속 산화물층; 및 상기 제1금속 산화물층 상에 위치하는 제2금속 인산화물층을 포함하는 광전기화학 소자를 제공한다.The present invention is a first metal nitride thin film layer located on the substrate; a first metal oxide layer positioned on the first metal nitride thin film layer; and a second metal phosphate layer positioned on the first metal oxide layer.

본 발명의 일 실시예에 따른 광전기화학 소자의 제1금속은 갈륨(Ga), 탄탈럼(Ta), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 란타넘(La), 스트론튬(Sr), 니오븀(Nb)으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다. 이 때, 상기 제1금속 질화물 박막층은 다공성을 가질 수 있다.The first metal of the photoelectrochemical device according to an embodiment of the present invention is gallium (Ga), tantalum (Ta), barium (Ba), titanium (Ti), lanthanum (La), strontium (Sr), niobium ( Nb) may be selected from the group consisting of. In this case, the first metal nitride thin film layer may have porosity.

본 발명의 일 실시예에 따른 광전기화학 소자의 제1금속 산화물은 단사정계 결정을 가질 수 있고, 제1금속 질화물에 대하여 3 내지 15 at% 포함될 수 있으며, 제1금속 산화물층의 두께가 1 내지 100 nm일 수 있고, 제1금속 산화물은 제1금속 질화물 박막층의 산화반응에 의해 유래된 것일 수 있다.The first metal oxide of the photoelectrochemical device according to an embodiment of the present invention may have a monoclinic crystal, may be included in an amount of 3 to 15 at% with respect to the first metal nitride, and the thickness of the first metal oxide layer may be 1 to 15 at%. 100 nm, and the first metal oxide may be derived from an oxidation reaction of the first metal nitride thin film layer.

본 발명의 일 실시예에 따른 광전기화학 소자의 제2금속은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 크롬(Cr), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전기화학 소자의 제1금속은 갈륨(Ga)이며, 제2금속은 니켈(Ni)일 수 있다.The second metal of the photoelectrochemical device according to an embodiment of the present invention is nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), chromium (Cr), copper (Cu), zinc (Zn), aluminum (Al) And it may be selected from the group consisting of magnesium (Mg). Accordingly, the first metal of the photoelectrochemical device according to an embodiment of the present invention may be gallium (Ga), and the second metal may be nickel (Ni).

본 발명의 일 실시예에 따른 광전기화학 소자의 제2금속 인산화물층은 제1금속 산화물층 상에 불연속적인 나노입자로 분산된 것일 수 있고, 상기 나노입자 형태의 제2금속 인산화물의 입경이 1 내지 10 nm일 수 있으며, X선 광전자 분광법으로 깊이 프로파일링 측정 시, 제2금속이 검출되기 시작하는 최초 깊이에서 제1금속도 동시에 검출될 수 있다.The second metal phosphate layer of the photoelectrochemical device according to an embodiment of the present invention may be dispersed as discontinuous nanoparticles on the first metal oxide layer, and the particle size of the second metal phosphate in the form of nanoparticles is It may be 1 to 10 nm, and when depth profiling is measured by X-ray photoelectron spectroscopy, the first metal may be simultaneously detected at the initial depth at which the second metal is detected.

또한, 본 발명은 (a) 제1금속 질화물 박막층을 제조하는 단계; (b) 상기 단계(a)에서 제조된 박막층을 에칭하는 단계; 및 (c) 상기 단계(b)에서 에칭된 박막층을 공기중에서 열처리하는 단계를 포함하는 광전기화학 소자의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of (a) preparing a first metal nitride thin film layer; (b) etching the thin film layer prepared in step (a); and (c) heat-treating the thin film layer etched in step (b) in air.

본 발명의 일 실시예에 따른 광전기화학 소자의 제조방법에 있어서, 상기 단계 (b)의 에칭하는 단계는 20 내지 40초 동안 진행될 수 있고, 상기 단계 (c)의 열처리하는 단계는 400 내지 800℃에서 진행될 수 있다.In the method for manufacturing a photoelectrochemical device according to an embodiment of the present invention, the etching of step (b) may be performed for 20 to 40 seconds, and the heat treatment of step (c) may be performed at 400 to 800 ° C. can proceed in

본 발명의 일 실시예에 따른 광전기화학 소자의 제조방법에 있어서, 상기 단계 (c) 이후에 제2금속 인산화물층을 광전착하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있고, 상기 광전착은 100 내지 300초동안 진행될 수 있다.In the method for manufacturing a photoelectrochemical device according to an embodiment of the present invention, a step of photoelectrodepositing a second metal phosphate layer may be additionally included after the step (c), and the photoelectrodeposition is carried out for 100 to 300 seconds. may proceed during

또한, 본 발명은 상기 광전기화학 소자에 광을 조사하여 물을 분해하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method of decomposing water by irradiating light to the photoelectrochemical device.

본 발명에 따른 광전기화학 소자는 열처리 과정에 의하여 자연스럽게 성장한 산화물을 도입하여 패시베이션 효과에 의해 안정성이 확보된 광전기화학 소자를 구현할 수 있다. 또한, 촉매를 추가적으로 사용하여 효율이 우수한 광전기화학 소자를 제조할 수 있는 장점이 있다.The photoelectrochemical device according to the present invention may implement a photoelectrochemical device in which stability is secured by a passivation effect by introducing an oxide naturally grown by a heat treatment process. In addition, there is an advantage in that a photoelectrochemical device having excellent efficiency can be manufactured by additionally using a catalyst.

도 1은 본 발명에 따른 광전기화학 소자의 제조 과정을 나타내는 그림이다.
도 2는 본 발명에 따른 광전기화학 소자의 XRD 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 광전기화학 소자의 FE-SEM 이미지를 나타내는 그림이다.
도 4는 본 발명에 따른 광전기화학 소자의 EDX 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 광전기화학 소자의 LSV 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 광전기화학 소자에 빛을 ON/OFF 반복하였을 때의 LSV 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 광전기화학 소자의 IPCE 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 광전기화학 소자의 OCVD 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 광전기화학 소자의 Mott-Schottky 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 광전기화학 소자의 광 안정성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 광전기화학 소자를 사용하여 PEC 반응을 하여 발생한 산소의 양을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 광전기화학 소자의 FE-SEM 이미지를 나타내는 그림이다.
도 13은 본 발명에 따른 광전기화학 소자의 EDX 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명에 따른 광전기화학 소자의 PEC 반응 전후의 XPS 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명에 따른 광전기화학 소자의 LSV 그래프이다.
도 16은 본 발명에 따른 광전기화학 소자에 빛을 ON/OFF 반복하였을 때의 LSV 그래프이다.
도 17은 본 발명에 따른 광전기화학 소자를 사용하여 PEC 반응을 하여 발생한 수소 및 산소의 양을 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명에 따른 광전기화학 소자의 광 안정성을 나타내는 그래프이다.
1 is a diagram showing a manufacturing process of a photoelectrochemical device according to the present invention.
2 is a graph showing an XRD spectrum of a photoelectrochemical device according to the present invention.
3 is a diagram showing a FE-SEM image of a photoelectrochemical device according to the present invention.
4 is a graph showing the EDX spectrum of the photoelectrochemical device according to the present invention.
5 is a LSV graph of a photoelectrochemical device according to the present invention.
6 is a LSV graph when light is repeatedly turned ON/OFF in the photoelectrochemical device according to the present invention.
7 is an IPCE graph of a photoelectrochemical device according to the present invention.
8 is an OCVD graph of a photoelectrochemical device according to the present invention.
9 is a Mott-Schottky graph of a photoelectrochemical device according to the present invention.
10 is a graph showing light stability of the photoelectrochemical device according to the present invention.
11 is a graph showing the amount of oxygen generated by the PEC reaction using the photoelectrochemical device according to the present invention.
12 is a diagram showing a FE-SEM image of a photoelectrochemical device according to the present invention.
13 is a graph showing the EDX spectrum of the photoelectrochemical device according to the present invention.
14 is a graph showing XPS spectra before and after PEC reaction of a photoelectrochemical device according to the present invention.
15 is a LSV graph of a photoelectrochemical device according to the present invention.
16 is a LSV graph when light is repeatedly turned ON/OFF in the photoelectrochemical device according to the present invention.
17 is a graph showing the amount of hydrogen and oxygen generated by the PEC reaction using the photoelectrochemical device according to the present invention.
18 is a graph showing light stability of the photoelectrochemical device according to the present invention.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 광전기화학 소자를 상세히 설명한다.Hereinafter, the photoelectrochemical device of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.The drawings introduced below are provided as examples to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Therefore, the present invention may be embodied in other forms without being limited to the drawings presented below, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention.

이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명을 생략한다.At this time, unless there is another definition in the technical terms and scientific terms used, they have meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure are omitted.

또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. Also, the singular forms used in the specification and appended claims may be intended to include the plural forms as well, unless the context dictates otherwise.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다. In this specification and the appended claims, terms such as first and second are used for the purpose of distinguishing one element from another, not in a limiting sense.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.In this specification and the appended claims, terms such as include or have mean that features or elements described in the specification exist, and unless specifically limited, one or more other features or elements may be added. It does not preclude the possibility that it will happen.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서, 막(층), 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분과 접하여 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막(층), 다른 영역, 다른 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.In this specification and the appended claims, when a part of a film (layer), region, component, etc. is on or on another part, not only when it is in contact with and directly on top of another part, but also when another film ( layer), other areas, other components, etc. are interposed.

본 발명의 광전기화학 소자는 기판 상에 위치하는 제1금속 질화물 박막층; 상기 제1금속 질화물 박막층 상에 위치하는 제1금속 산화물층; 및 상기 제1금속 산화물층 상에 위치하는 제2금속 인산화물층을 포함하는 것을 특징으로 한다.A photoelectrochemical device of the present invention includes a first metal nitride thin film layer disposed on a substrate; a first metal oxide layer positioned on the first metal nitride thin film layer; and a second metal phosphate layer positioned on the first metal oxide layer.

일 구체예에 있어, 상기 제1금속은 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 갈륨(Ga), 탄탈럼(Ta), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 란타넘(La), 스트론튬(Sr), 니오븀(Nb)로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있고, 바람직하게는 갈륨일 수 있다.In one embodiment, the first metal is aluminum (Al), tungsten (W), gallium (Ga), tantalum (Ta), barium (Ba), titanium (Ti), lanthanum (La), strontium ( It may be selected from the group consisting of Sr) and niobium (Nb), preferably gallium.

상기 제1금속 질화물은 GaN, Ta3N5, BaTaO2N, LaTiO2N 및 SrNbO2N으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있고, 바람직하게는 GaN일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The first metal nitride may be selected from the group consisting of GaN, Ta 3 N 5 , BaTaO 2 N, LaTiO 2 N and SrNbO 2 N, and may preferably be GaN, but is not limited thereto.

상기 제1금속 질화물은 넓은 밴드갭을 가지기 때문에 물의 산화반응에 사용될 수 있고, 특히 GaN은 ~3.4 eV의 넓은 밴드갭을 가지기 때문에 PEC 반응에 더욱 적합하다. 또한, GaN의 전도대는 Ta3N5, BaTaO2N, LaTiO2N 및 SrNbO2N과 같은 광전극보다 음의 값을 가지고, 광생성 전자가 GaN으로 이동하는 것을 방지하여 전하 재결합을 줄이는 장점이 있으며, 광안정성, 가시광선 스펙트럼에서의 효율적인 광 수집, 빠른 물 산화 속도, 무독성 등의 장점이 있다.Since the first metal nitride has a wide band gap, it can be used for a water oxidation reaction, and GaN is particularly suitable for a PEC reaction because it has a wide band gap of ~3.4 eV. In addition, the conduction band of GaN has a negative value compared to that of photoelectrodes such as Ta 3 N 5 , BaTaO 2 N, LaTiO 2 N and SrNbO 2 N, and has the advantage of reducing charge recombination by preventing photo-generated electrons from moving to GaN. It has advantages such as photostability, efficient light collection in the visible light spectrum, fast water oxidation rate, and non-toxicity.

상기 제1금속 질화물 박막층은 다공성을 가질 수 있다. 상기 다공성 제1금속 질화물 박막층은 PEC 반응에서 물 분자를 흡착할 수 있을 정도의 기공 크기를 가질 수 있으며, 구체적으로 1 내지 20 nm의 크기를 가질 수 있고, 바람직하게는 1 내지 15 nm의 크기를 가질 수 있고, 가장 바람직하게는 1 내지 10 nm의 크기를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 제1금속 질화물이 다공성의 특징을 가짐으로 인하여 PEC 반응에서 물 분자에 대해 우수한 흡착력을 나타낼 수 있다.The first metal nitride thin film layer may have porosity. The porous first metal nitride thin film layer may have a pore size sufficient to adsorb water molecules in a PEC reaction, and may specifically have a size of 1 to 20 nm, preferably a size of 1 to 15 nm. It may have, and most preferably may have a size of 1 to 10 nm, but is not limited thereto. Due to the porous nature of the first metal nitride, it may exhibit excellent adsorption to water molecules in the PEC reaction.

일 구체예에 있어, 상기 제1금속 산화물은 Al2O3, WO3, Ga2O3, Ta2O5, BaO, TiO2, La2O3, SrO 및 Nb2O3로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있고, 바람직하게는 Ga2O3일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment, the first metal oxide is from the group consisting of Al 2 O 3 , WO 3 , Ga 2 O 3 , Ta 2 O 5 , BaO, TiO 2 , La 2 O 3 , SrO and Nb 2 O 3 It may be selected, preferably Ga 2 O 3 It may be, but is not limited thereto.

상기 제1금속 산화물은 높은 유전율을 가지는 반도체로, 상기 제1금속 산화물로 상기 제1금속 질화물 표면을 passivation하면, 계면에서 전하 분리 및 전하의 이동을 개선하여 재결합 속도를 억제하는 역할을 한다. 이를 통하여 PEC 반응이 진행됨에 따른 부식을 억제하거나 지연시킬 수 있다. 특히, β-Ga2O3는 4.8 eV의 밴드갭과 10.2-14.2의 유전 상수를 가지고, 화학적, 열적, 촉매적으로 안정한 천연 산화물이기 때문에, GaN 표면에서 보호층의 역할을 하여 PEC 반응에 의한 부식을 방지하여 안정적인 반응이 가능하다.The first metal oxide is a semiconductor having a high permittivity, and when the surface of the first metal nitride is passivated with the first metal oxide, charge separation and charge transfer at an interface are improved, thereby suppressing recombination rate. Through this, corrosion as the PEC reaction progresses can be suppressed or delayed. In particular, since β-Ga 2 O 3 has a band gap of 4.8 eV and a dielectric constant of 10.2-14.2, and is a natural oxide that is chemically, thermally, and catalytically stable, it serves as a protective layer on the surface of GaN to prevent the PEC reaction from occurring. Stable reaction is possible by preventing corrosion.

일 구체예에 있어, 상기 제1금속 산화물은 제1금속 질화물 박막층의 산화반응에 의하여 유래된 것일 수 있다. 상기 광전기화학 소자는 제1금속 질화물 자체에서 제1금속 산화물을 성장시킬 수 있기 때문에 제1금속 산화물/제1금속 질화물 필름의 오염을 방지할 수 있다. 또한, 제1금속 산화물층이 제1금속 질화물층의 산화반응에 의하여 자연적으로 형성되기 때문에 제1금속 산화물층과 제1금속 질화물층이 서로 화학적으로 결합되어 있고, 이로 인하여 우수한 광전기화학 특성을 나타낼 수 있다.In one embodiment, the first metal oxide may be derived by an oxidation reaction of the first metal nitride thin film layer. Since the photoelectrochemical device can grow the first metal oxide on the first metal nitride itself, contamination of the first metal oxide/first metal nitride film can be prevented. In addition, since the first metal oxide layer is naturally formed by the oxidation reaction of the first metal nitride layer, the first metal oxide layer and the first metal nitride layer are chemically bonded to each other, thereby exhibiting excellent photoelectrochemical properties. can

일 구체예에 있어, 상기 제1금속 산화물은 단사정계 결정 구조를 가질 수 있다. 여기서 단사정계 결정이란 길이가 다른 세 개의 결정축을 가지며, 그 중에 좌우축과 상하축은 직교하지만, 전후축은 좌우축과 비스듬한 각을 형성하는 결정 형태를 의미한다. 상기 제1금속 산화물이 단사정계 결정 구조를 가짐으로 인하여 전해질이 염기성인 경우에 우수한 광안정성을 보이게 되고, 제1금속 산화물이 제1금속 질화물의 부식을 차단하여 최종적으로 PEC 반응이 안정적으로 진행될 수 있다.In one embodiment, the first metal oxide may have a monoclinic crystal structure. Here, the monoclinic crystal means a crystal form that has three crystal axes of different lengths, of which the left and right axes and the top and bottom axes are orthogonal, but the front and rear axes form an oblique angle with the left and right axes. Since the first metal oxide has a monoclinic crystal structure, excellent light stability is exhibited when the electrolyte is basic, and the first metal oxide blocks corrosion of the first metal nitride, so that the PEC reaction can finally proceed stably. there is.

일 구체예에 있어, 상기 제1금속 산화물은 제1금속 질화물에 대하여 3 내지 15 at% 포함될 수 있고, 바람직하게는 4 내지 12 at% 포함될 수 있고, 가장 바람직하게는 5 내지 10 at% 포함될 수 있다. 상기 범위의 제1금속 산화물을 포함하는 경우, 절연 특성을 가지는 제1금속 산화물이 PEC 반응시 전자의 이동을 방해하지 않음과 동시에 제1금속 질화물의 부식을 방지할 수 있기 때문에 PEC 반응에 대하여 큰 광전압을 부여할 수 있는 장점이 있다.In one embodiment, the first metal oxide may be included in 3 to 15 at%, preferably 4 to 12 at%, and most preferably 5 to 10 at% based on the first metal nitride. there is. When the first metal oxide in the above range is included, the first metal oxide having insulating properties does not hinder the movement of electrons during the PEC reaction and at the same time prevents corrosion of the first metal nitride, which is great for the PEC reaction. It has the advantage of being able to apply photovoltage.

일 구체예에 있어, 상기 제1금속 산화물층의 두께는 1 내지 100 nm일 수 있고, 바람직하게는 3 내지 80 nm일 수 있고, 가장 바람직하게는 5 내지 50 nm일 수 있다. 상기 두께 범위의 제1금속 산화물층을 포함하는 경우, 절연 특성을 가지는 제1금속 산화물층이 PEC 반응시 전자의 이동을 방해하지 않음과 동시에 제1금속 질화물의 부식을 방지할 수 있기 때문에 PEC 반응의 효율이 높아질 수 있는 장점이 있다.In one embodiment, the thickness of the first metal oxide layer may be 1 to 100 nm, preferably 3 to 80 nm, and most preferably 5 to 50 nm. In the case of including the first metal oxide layer having the above thickness range, the first metal oxide layer having insulating properties does not hinder the movement of electrons during the PEC reaction and at the same time prevents corrosion of the first metal nitride, thereby preventing the PEC reaction. It has the advantage of increasing the efficiency of

일 구체예에 있어, 상기 제2금속 인산화물층의 금속은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 크롬(Cr), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있고, 바람직하게는 니켈(Ni)일 수 있다.In one embodiment, the metal of the second metal phosphate layer is nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), chromium (Cr), copper (Cu), zinc (Zn), aluminum (Al) and magnesium (Mg), preferably nickel (Ni).

또한, 상기 제2금속 인산화물층의 금속 인산화물은 Ni3(PO4)2, Co3(PO4)2, Mn3(PO4)2, Cr3(PO4)2, Cu3(PO4)2, Zn3(PO4)2, Mg3(PO4)2 및 AlPO4로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있고, 바람직하게는 Ni3(PO4)2일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In addition, the metal phosphate of the second metal phosphate layer is Ni 3 (PO 4 ) 2 , Co 3 (PO 4 ) 2 , Mn 3 (PO 4 ) 2 , Cr 3 (PO 4 ) 2 , Cu 3 (PO 4 ) 2 , Zn 3 (PO 4 ) 2 , Mg 3 (PO 4 ) 2 and AlPO 4 It may be selected from the group consisting of Ni 3 (PO 4 ) 2 It may be, but is not limited thereto .

일 구체예에 있어, 상기 제2금속 인산화물층은 제1금속 산화물층 상에 불연속적인 나노입자로 분산된 것일 수 있다. 이 때, 상기 제2금속 인산화물의 입경은 1 내지 10 nm 일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 8 nm일 수 있으나, PEC 반응의 조촉매로 사용하기에 용이한 크기라면 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment, the second metal phosphate layer may be dispersed as discontinuous nanoparticles on the first metal oxide layer. At this time, the particle diameter of the second metal phosphate may be 1 to 10 nm, preferably 1 to 8 nm, but is not limited thereto as long as it is easy to use as a cocatalyst for the PEC reaction.

일 구체예에 있어, 상기 광전기화학 소자는 X선 광전자 분광법(XPS)으로 깊이 프로파일링 측정 시, 제2금속이 검출되기 시작하는 최초 깊이에서 제1금속도 동시에 검출될 수 있다. 즉, 제2금속 인산화물 나노입자가 제1금속 산화물층 상에 입자 형태로 존재하기 때문에, 제1금속 산화물층 일부는 표면에 노출되어 있고, 일부는 표면에 노출되지 않아 XPS 스펙트럼에서 제1금속과 제2금속이 동시에 검출될 수 있다.In one embodiment, in the photoelectrochemical device, when depth profiling is measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the first metal may be simultaneously detected at an initial depth at which the second metal is detected. That is, since the second metal phosphate nanoparticles exist in the form of particles on the first metal oxide layer, a part of the first metal oxide layer is exposed to the surface, and a part of the first metal oxide layer is not exposed to the surface, so that the first metal oxide layer is not exposed to the surface in the XPS spectrum. and the second metal can be simultaneously detected.

본 발명의 광전기화학 소자의 제조방법은 (a) 제1금속 질화물 박막층을 제조하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 제조된 박막층을 에칭하는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)에서 에칭된 박막층을 공기중에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a photoelectrochemical device of the present invention includes the steps of (a) preparing a first metal nitride thin film layer; (b) etching the thin film layer prepared in step (a); and (c) heat-treating the thin film layer etched in step (b) in air.

제1금속 질화물 박막층에서 발생하는 산화 메커니즘에 대해 설명한다. 제1금속 질화물 박막층의 열처리를 통하여 제1금속 산화물층이 도입되고, 제1금속 질화물 박막층 표면에 다공성 구조가 형성된다. 열처리를 통하여 산화가 되는 동안 제1금속 질화물 박막층은 하기 식(1)과 같이 MOx와 NOx 가스로 분해되고, 질소는 NOx 형태로 제거된다. 즉, 제1금속 질화물 박막층은 열처리를 통하여 질소 산화물이 제거됨으로 인하여 제1금속 산화물이 형성되고, 제1금속 산화물은 제1금속 질화물 박막층의 결함 부근으로 이동하여 축적되어 표면의 결함 부근에 핵을 형성할 수 있다.An oxidation mechanism occurring in the first metal nitride thin film layer will be described. A first metal oxide layer is introduced through heat treatment of the first metal nitride thin film layer, and a porous structure is formed on the surface of the first metal nitride thin film layer. During oxidation through heat treatment, the first metal nitride thin film layer is decomposed into MO x and NO x gas as shown in Equation (1) below, and nitrogen is removed in the form of NO x . That is, since nitrogen oxide is removed from the first metal nitride thin film layer through heat treatment, the first metal oxide is formed, and the first metal oxide moves and accumulates near the defect of the first metal nitride thin film layer to form nuclei near the defect on the surface. can form

MN(s) + O2(g) → MOx(s) + NOx(s) (M은 제1금속을 의미한다.)MN ( s ) + O 2 ( g ) → MO x ( s ) + NO x ( s ) (M means the first metal.)

일 구체예에 있어, 상기 광전기화학 소자의 제조방법에 있어서 단계 (b)의 에칭하는 단계는 20 내지 40초 동안 에칭할 수 있고, 바람직하게는 25 내지 35초 동안 에칭할 수 있다. 상기 범위의 에칭 시간에 의하여 제1금속 질화물 박막층의 다공성이 증가함으로 인한 반응성의 증가와, 절연 특성을 가지는 제1금속 산화물의 증가에 따른 PEC 작동시 전자의 이동의 방해를 조절하여 우수한 PEC 성능을 나타낼 수 있는 장점이 있다.In one embodiment, in the method of manufacturing the photoelectrochemical device, the etching of step (b) may be performed for 20 to 40 seconds, preferably 25 to 35 seconds. By the etching time in the above range, excellent PEC performance is achieved by controlling the increase in reactivity due to the increase in the porosity of the first metal nitride thin film layer and the interference with the movement of electrons during PEC operation according to the increase in the first metal oxide having insulating properties. There are advantages that can be shown.

일 구체예에 있어, 상기 광전기화학 소자의 제조방법에 있어서 단계 (c)의 열처리하는 단계는 400 내지 800℃에서 열처리할 수 있고, 바람직하게는 450 내지 750℃에서 열처리할 수 있고, 가장 바람직하게는 500 내지 700℃에서 열처리할 수 있다. 상기 범위의 열처리 온도에 의하여 제1금속 산화물의 결정성을 증가시킴과 동시에 제1금속 질화물 자체에서 자연적으로 제1금속 산화물을 성장시킬 수 있기 때문에 전해질이 염기성인 경우에 우수한 광안정성을 보이게 되고, 제1금속 산화물이 제1금속 질화물의 부식을 차단하며, 필름의 오염을 방지할 수 있어 최종적으로 PEC 반응이 안정적으로 진행될 수 있다.In one embodiment, in the photoelectrochemical device manufacturing method, the heat treatment of step (c) may be heat treatment at 400 to 800 ° C, preferably at 450 to 750 ° C, most preferably may be heat treated at 500 to 700 ° C. Since the crystallinity of the first metal oxide can be increased by the heat treatment temperature in the above range and the first metal oxide can be naturally grown in the first metal nitride itself, excellent photostability is exhibited when the electrolyte is basic, The first metal oxide blocks corrosion of the first metal nitride and prevents contamination of the film, so that the PEC reaction can finally proceed stably.

일 구체예에 있어, 상기 광전기화학 소자의 제조방법에 있어서 상기 단계 (c) 이후에 제2금속 인산화물층을 광전착하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. In one embodiment, the method of manufacturing the photoelectrochemical device may further include photoelectrodepositing a second metal phosphate layer after the step (c).

일 구체예에 있어, 상기 광전기화학 소자의 제조방법에 있어서, 상기 광전착하는 단계는 100 내지 300초 동안 광전착할 수 있고, 바람직하게는 150 내지 250초 동안 광전착할 수 있고, 가장 바람직하게는 180 내지 220초 동안 광전착할 수 있다. 상기 범위의 광전착 시간에 의하여 제2금속 인산화물층의 탈리를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 제2금속 인산화물의 응집을 최소화할 수 있는 장점이 있다.In one embodiment, in the method for manufacturing a photoelectrochemical device, the photoelectrodeposition may be performed for 100 to 300 seconds, preferably for 150 to 250 seconds, most preferably can be photoelectrodeposited for 180 to 220 seconds. With the photoelectrodeposition time within the above range, separation of the second metal phosphate layer can be prevented and aggregation of the second metal phosphate layer can be minimized.

상기 광전기화학 소자의 제조방법은 단순히 금속 질화물 박막층을 에칭하는 단계 및 열처리하는 단계를 거치기 때문에 매우 간단한 방법으로 금속 산화물층을 형성할 수 있다. 금속 산화물의 코팅을 위하여 일반적으로 ALD(Atomic Layer Deposition)을 사용하는데, ALD는 값비싼 금속-유기 화합물을 사용해야 하고, 진공 처리 과정이 필요하기 때문에, 대규모로 광전기화학 소자를 제조하는데 문제가 있는 방법이다.Since the manufacturing method of the photoelectrochemical device simply goes through the steps of etching and heat-treating a metal nitride thin film layer, it is possible to form a metal oxide layer in a very simple way. ALD (Atomic Layer Deposition) is generally used for coating metal oxides, but ALD requires the use of expensive metal-organic compounds and a vacuum treatment process, which is a problematic method for manufacturing photoelectrochemical devices on a large scale. am.

또한, 본 발명은 상기 광전기화학 소자에 광을 조사하여 PEC 반응을 통해 물을 분해하여 수소와 산소를 제조하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method of producing hydrogen and oxygen by irradiating light to the photoelectrochemical device to decompose water through a PEC reaction.

이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명한다. 다만, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. However, these are for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.

<실시예 1> β-Ga2O3/GaN-30s의 제조<Example 1> Preparation of β-Ga 2 O 3 /GaN-30s

GaN와 Pt을 양극과 음극으로 구성된 전극과 50 mL 에틸렌글리콜 속에 2 wt% 물과 2 wt% NH4F 염이 들어있는 전해질에 20V의 전압을 30초 동안 인가함으로써 에칭이 이루어졌다. 그 후, 에탄올 용액으로 잔여물을 세척한 후, 대기 분위기에서 600℃에서 1시간 동안 열처리하였다.GaN and Pt were etched by applying a voltage of 20V for 30 seconds to an electrode composed of anode and cathode and an electrolyte containing 2 wt% water and 2 wt% NH 4 F salt in 50 mL ethylene glycol. Thereafter, after washing the residue with an ethanol solution, heat treatment was performed at 600° C. for 1 hour in an air atmosphere.

<실시예 2> Ni-Pi/β-Ga2O3/GaN-30s의 제조<Example 2> Preparation of Ni-Pi/β-Ga 2 O 3 /GaN-30s

실시예 1에서 제조한 β-Ga2O3/GaN 와 Pt을 양극과 음극, 기준전극으로 구성된 3전극에서 0.02M nickel nitrate in 0.1 M potassium phosphate buffer solution(pH 7) 전해질로 구성하고, 300 W Xe lamp 하에서 0.2V Ag/AgCl 조건에서 200초 동안 광전착하였다β-Ga 2 O 3 /GaN and Pt prepared in Example 1 were composed of 0.02M nickel nitrate in 0.1 M potassium phosphate buffer solution (pH 7) electrolyte in three electrodes composed of an anode, a cathode, and a reference electrode, and 300 W It was photoelectrodeposited for 200 seconds under 0.2V Ag/AgCl condition under Xe lamp.

<비교예 1> β-Ga2O3/GaN-10s의 제조<Comparative Example 1> Preparation of β-Ga 2 O 3 /GaN-10s

에칭을 10초 동안 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1의 제조방법과 동일한 제조방법으로 제조하였다.It was prepared in the same manufacturing method as in Example 1, except that etching was performed for 10 seconds.

<비교예 2> β-Ga2O3/GaN-1min의 제조<Comparative Example 2> Preparation of β-Ga 2 O 3 /GaN-1min

에칭을 1분 동안 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1의 제조방법과 동일한 제조방법으로 제조하였다.It was manufactured in the same manufacturing method as in Example 1, except that etching was performed for 1 minute.

<비교예 3> Ni-Pi/β-Ga2O3/GaN-10s의 제조<Comparative Example 3> Preparation of Ni-Pi/β-Ga 2 O 3 /GaN-10s

에칭을 10초 동안 수행한 것을 제외하고는, 실시예 2의 제조방법과 동일한 제조방법으로 제조하였다.It was prepared in the same manufacturing method as in Example 2, except that etching was performed for 10 seconds.

<비교예 4> Ni-Pi/β-Ga2O3/GaN-1min의 제조<Comparative Example 4> Preparation of Ni-Pi/β-Ga 2 O 3 /GaN-1min

에칭을 1분 동안 수행한 것을 제외하고는, 실시예 2의 제조방법과 동일한 제조방법으로 제조하였다.It was prepared in the same manufacturing method as in Example 2, except that etching was performed for 1 minute.

<실험예 1> GaN 및 β-Ga2O3/GaN의 구조 분석<Experimental Example 1> Structural analysis of GaN and β-Ga 2 O 3 /GaN

먼저, GaN 및 β-Ga2O3/GaN의 구조를 분석하기 위하여 X선 회절 분광법(XRD) 분석을 하였다.First, X-ray diffraction spectroscopy (XRD) analysis was performed to analyze the structures of GaN and β-Ga 2 O 3 /GaN.

도 2를 참조하면, 에칭 공정 없이 오직 열처리 공정만으로 형성된 β-Ga2O3/GaN의 XRD 스펙트럼이 b1에 나타나 있으며, c1 내지 e1은 10초, 30초 및 1분 동안 에칭 후 공기 중에서 600°C에서 열처리한 β-Ga2O3/GaN에 대한 XRD 스펙트럼을 나타낸다. 이를 통하여, GaN 표면에 산화물이 형성되었고, 그 산화물이 다결정의 단사정 β-Ga2O3임을 알 수 있으며, 에칭 공정을 거친 β-Ga2O3/GaN의 XRD 스펙트럼과 오직 열처리 공정만으로 형성된 β-Ga2O3/GaN의 XRD 스펙트럼에는 차이가 크지 않음을 알 수 있다.Referring to FIG. 2, the XRD spectrum of β-Ga 2 O 3 /GaN formed only by a heat treatment process without an etching process is shown in b1, and c1 to e1 are 600° in air after etching for 10 seconds, 30 seconds, and 1 minute. The XRD spectrum of β-Ga 2 O 3 /GaN heat-treated at C is shown. Through this, it can be seen that an oxide was formed on the surface of GaN, and that the oxide was a polycrystalline monoclinic β-Ga 2 O 3 , and the XRD spectrum of β-Ga 2 O 3 /GaN that had undergone an etching process and only the heat treatment process formed It can be seen that there is no significant difference in the XRD spectrum of β-Ga 2 O 3 /GaN.

다음으로, GaN 및 β-Ga2O3/GaN의 표면 구조를 FE-SEM을 통하여 관찰하였다.Next, surface structures of GaN and β-Ga 2 O 3 /GaN were observed through FE-SEM.

도 3을 참조하면, GaN의 경우, 매끄러운 표면과 함께 두께가 약 1 μm인 GaN 박막이 기판 위에 성장한 것을 알 수 있다. 그러나, 일정 시간동안 에칭된 샘플의 경우, GaN 박막의 표면 구조가 다공성 구조로 바뀌고 에칭 시간이 길어질수록 다공성이 강해지는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 3 , in the case of GaN, it can be seen that a GaN thin film with a smooth surface and a thickness of about 1 μm was grown on the substrate. However, in the case of samples etched for a certain period of time, it can be seen that the surface structure of the GaN thin film is changed to a porous structure, and the porosity becomes stronger as the etching time increases.

또한 600°C에서 열처리 후에 비교예 1(β-Ga2O3/GaN-10s)에서 나노미터 크기의 섬(island)이 관찰되었고, 에칭 시간이 증가함에 따라 섬의 크기가 확장되는 특징을 나타냈다. 따라서, 에칭 시간이 증가함에 따라 나노 입자는 더 큰 응집체가 되고, 나노 입자 사이의 공극은 감소함을 확인할 수 있었다. 이는 에칭 시간이 증가함에 따라 빠른 산화 속도에 의하여 GaN이 분해되기 때문이다.In addition, nanometer-sized islands were observed in Comparative Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-10s) after heat treatment at 600 ° C, and the size of the islands increased as the etching time increased. . Therefore, it was confirmed that as the etching time increased, the nanoparticles became larger aggregates and the voids between the nanoparticles decreased. This is because GaN is decomposed by a fast oxidation rate as the etching time increases.

다음으로, GaN 및 β-Ga2O3/GaN을 구성하는 물질의 종류 및 함량을 분석하기 위하여 EDX 분석을 하였다.Next, EDX analysis was performed to analyze the type and content of materials constituting GaN and β-Ga 2 O 3 /GaN.

도 4를 참조하면, GaN에서 Ga(52.59 at %), N(46.40 at%) 및 O(1.2 %)의 비율을 나타내는 것으로 보아 Ga/N의 비율이 약 1임을 알 수 있고, 이를 통하여 GaN에 산소가 무시할 수 있을 정도로 적은 양이 포함되어 있음을 알 수 있다. 이에 반하여, 비교예 1(β-Ga2O3/GaN-10s), 실시예 1(β-Ga2O3/GaN-30s) 및 비교예 2(β-Ga2O3/GaN-1min)에서 Ga, N 및 O 원소의 양(at%)은 각각 (51.69, 45.61 및 3.01), (50.18, 43.82 및 6.0) 및 (46.05, 43.02 및 10.93)임을 알 수 있다. 즉, 에칭 시간이 증가함에 따라 O 함량이 증가하는 것을 알 수 있고, 이는 에칭 시간이 증가함에 따라 β-Ga2O3의 두께가 증가함을 의미한다.Referring to FIG. 4, the ratio of Ga (52.59 at %), N (46.40 at %), and O (1.2 %) in GaN indicates that the ratio of Ga/N is about 1, and through this, GaN It can be seen that oxygen is contained in a negligibly small amount. In contrast, Comparative Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-10s), Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-30s) and Comparative Example 2 (β-Ga 2 O 3 /GaN-1min) It can be seen that the amounts (at%) of Ga, N and O elements are (51.69, 45.61 and 3.01), (50.18, 43.82 and 6.0) and (46.05, 43.02 and 10.93), respectively. That is, it can be seen that the O content increases as the etching time increases, which means that the thickness of β-Ga 2 O 3 increases as the etching time increases.

상기 분석한 바와 같이, 에칭 시간이 길어질수록 GaN 박막의 다공성이 증가하기 때문에 반응성 역시 증가할 수 있지만, β-Ga2O3 두께 역시 증가하기 때문에 절연 특성을 가지는 과잉된 β-Ga2O3가 PEC 작동시 전자의 이동을 방해하여 GaN의 PEC 성능이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.As analyzed above, as the etching time increases, the reactivity may also increase because the porosity of the GaN thin film increases, but since the thickness of β-Ga 2 O 3 also increases, the excess β-Ga 2 O 3 having insulating properties During PEC operation, the movement of electrons may be hindered, resulting in poor PEC performance of GaN.

<실험예 2> GaN 및 β-Ga2O3/GaN의 PEC 특성 분석<Experimental Example 2> Analysis of PEC characteristics of GaN and β-Ga 2 O 3 /GaN

GaN 및 β-Ga2O3/GaN의 PEC 특성을 분석하기 위하여 선형주사전위법(Linear Sweep voltammogram; LSV) 분석을 하였다.In order to analyze the PEC characteristics of GaN and β-Ga 2 O 3 /GaN, linear sweep voltammogram (LSV) analysis was performed.

도 5를 참조하면, GaN의 개시 전위(Von)는 0.12VRHE를 나타냈고, 1.23VRHE에서 0.95 mA·cm-2의 광전류 밀도(J)를 나타냄을 확인하였다. 반면에, 비교예 1(β-Ga2O3/GaN-10s), 실시예 1(β-Ga2O3/GaN-30s) 및 비교예 2(β-Ga2O3/GaN-1min) 각각에 대하여 Von이 0.195V, 0.209V 및 0.232V를 나타냈고, J가 0.99 mA·cm-2, 1.2 mA·cm-2 및 0.86 mA·cm-2를 나타냄을 확인하였다. 즉, 실시예 1(β-Ga2O3/GaN-30s)에서 J값이 최대임을 알 수 있으며, 이를 통하여 GaN 표면에 β-Ga2O3이 형성됨으로 인하여 패시베이션(passivation) 효과가 발생한 것을 알 수 있었다.Referring to FIG. 5 , the onset potential (V on ) of GaN was 0.12V RHE , and it was confirmed that a photocurrent density (J) of 0.95 mA·cm −2 was exhibited at 1.23V RHE . On the other hand, Comparative Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-10s), Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-30s) and Comparative Example 2 (β-Ga 2 O 3 /GaN-1min) It was confirmed that V on showed 0.195V, 0.209V and 0.232V, and J showed 0.99 mA·cm -2 , 1.2 mA·cm -2 and 0.86 mA·cm -2 respectively. That is, it can be seen that the J value is maximum in Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-30s), and through this, the passivation effect occurs due to the formation of β-Ga 2 O 3 on the GaN surface. Could know.

에칭 시간을 30초가 될 때까지 증가시킴에 따라 J값도 증가하다가, 에칭 시간을 더 늘리면 J값은 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는 두꺼운 패시베이션 층(비교예 2(1분 동안 에칭한 β-Ga2O3층))에 의한 효과로 이해할 수 있으며, 패시베이션 층이 두꺼워짐으로 인하여 직렬 저항이 증가하고 계면에서 캐리어의 이동을 차단하여 최종적으로 J를 감소시키는 것이다.It was found that the J value increased as the etching time increased until it reached 30 seconds, and the J value decreased as the etching time further increased. This can be understood as the effect of the thick passivation layer (Comparative Example 2 (β-Ga 2 O 3 layer etched for 1 minute)), and the thicker passivation layer increases the series resistance and blocks the movement of carriers at the interface. Thus, J is finally reduced.

도 6을 참조하면, 모든 샘플에서 우수한 광안정성과 빠른 광반응을 나타냈다. 즉, 표면 결함은 산화물(β-Ga2O3)의 생성에 의해 해결될 수 있고, GaN 표면에서 광발생 캐리어의 재결합을 억제하는 것이 가능하며, 계면에서 캐리어의 효율적인 공급을 통해 PEC 반응의 효율을 향상시킬 수 있다.Referring to FIG. 6, all samples exhibited excellent photostability and fast photoresponse. That is, surface defects can be resolved by the generation of oxide (β-Ga 2 O 3 ), it is possible to suppress the recombination of photo-generated carriers on the GaN surface, and the efficiency of the PEC reaction through efficient supply of carriers at the interface. can improve

광전극에 대한 패시베이션 효과와 J의 관계를 파악하기 위해 광발생 전자 수와 입사 광자 수의 비율로 정의되는 incident photon-to-current efficiency(IPCE)을 측정하였다. IPCE 값은 하기 식으로 설명된다.The incident photon-to-current efficiency (IPCE), defined as the ratio of the number of photogenerated electrons to the number of incident photons, was measured to determine the relationship between the passivation effect and J for the photoelectrode. The IPCE value is described by the following formula.

IPCE = (1240 * J) / (λ * Plight)IPCE = (1240 * J) / (λ * P light )

여기서, J는 특정 파장에서 측정된 광전류 밀도(mA·cm-2), λ는 입사광의 파장, Plight는 입사광(mW·cm-2)을 의미한다.Here, J is the photocurrent density measured at a specific wavelength (mA·cm -2 ), λ is the wavelength of the incident light, and P light is the incident light (mW·cm -2 ).

도 7을 참조하면 GaN은 15%의 IPCE를 나타내며, 비교예 1(β-Ga2O3/GaN-10s)은 36%, 실시예 1(β-Ga2O3/GaN-30s) 및 비교예 2(β-Ga2O3/GaN-1min)는 동일한 파장에서 각각 ~57% 및 ~25%의 IPCE를 나타냄을 알 수 있다. 즉, 모든 샘플의 IPCE가 J 값에 비례하여 실시예 1(β-Ga2O3/GaN-30s)의 경우 가장 높은 IPCE를 나타냈으나, 비교예 2(β-Ga2O3/GaN-1min)의 경우 IPCE가 다시 감소함을 알 수 있었다.Referring to FIG. 7, GaN shows an IPCE of 15%, Comparative Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-10s) is 36%, Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-30s) and comparison It can be seen that Example 2 (β-Ga 2 O 3 /GaN-1min) exhibits IPCEs of -57% and -25%, respectively, at the same wavelength. That is, Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-30s) showed the highest IPCE in proportion to the J value of all samples, but Comparative Example 2 (β-Ga 2 O 3 /GaN-30s) 1 min), it was found that IPCE decreased again.

도 8을 참조하면, 전극과 재결합 손실의 원인을 이해하기 위해 GaN 및 β-Ga2O3/GaN에 빛을 조사하였을 때 (OCVlight)와 빛을 조사하지 않았을 때(OCVdark)의 개방 단자 전압(open-circuit voltage; OCV)을 측정하였다. GaN의 Vph는 0.5VRHE로 측정되며, β-Ga2O3/GaN-30s (1.2 VRHE) > β-Ga2O3/GaN-10s (0.88 VRHE) > β-Ga2O3/GaN-1min (0.67 VRHE)의 값을 나타내어 GaN보다 Vph가 커진 것을 확인하였다. 실시예 1(β-Ga2O3/GaN-30s) 박막에서 관찰된 높은 광전압은 전하 재결합이 감소한 것을 의미하며, 이는 GaN의 표면에서 광생성 전자가 빠르게 분리된다는 것을 의미한다. 따라서, β-Ga2O3/GaN 박막은 GaN 박막 표면에서 전하 분리를 촉진하고, 전자와 정공의 재결합을 감소시킬 수 있다.Referring to FIG. 8, in order to understand the cause of electrode and recombination loss, GaN and β-Ga 2 O 3 /GaN are irradiated with light (OCV light ) and open terminals when light is not irradiated (OCV dark ). The voltage (open-circuit voltage; OCV) was measured. V ph of GaN is measured as 0.5V RHE , β-Ga 2 O 3 /GaN-30s (1.2 V RHE ) > β-Ga 2 O 3 /GaN-10s (0.88 V RHE ) > β-Ga 2 O 3 The value of /GaN-1min (0.67 V RHE ) was shown, and it was confirmed that V ph was greater than that of GaN. The high photovoltage observed in the thin film of Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-30s) means that the charge recombination is reduced, which means that the photo-generated electrons are quickly separated from the GaN surface. Therefore, the β-Ga 2 O 3 /GaN thin film can promote charge separation on the surface of the GaN thin film and reduce recombination of electrons and holes.

도 9를 참조하면, 0.5M NaOH(pH: 13.6)의 전해질과 서로 다른 주파수 범위(0.5kHz 및 1kHz)에서 Mott-Schottky 플롯을 통하여 GaN 및 β-Ga2O3/GaN 박막의 전기적 특성을 조사하였다Referring to FIG. 9, electrical properties of GaN and β-Ga 2 O 3 /GaN thin films were investigated through Mott-Schottky plots in 0.5M NaOH (pH: 13.6) electrolyte and different frequency ranges (0.5 kHz and 1 kHz) did

모든 샘플에서 나타나는 양의 기울기는 n형 반도체의 특성을 나타낸다. GaN, 비교예 1(β-Ga2O3/GaN-10s), 실시예 1(β-Ga2O3/GaN-30s) 및 비교예 2(β-Ga2O3/GaN-1min) 박막에서 측정된 flat-band potential(EFB)는 각각 -0.36, -0.45, -0.53 및 -0.40 VRHE이다. 이는 낮은 EFB는 계면 영역에서 강한 밴드 굽힘이 발생함을 의미하며, 이는 광생성 전하의 빠른 분리를 촉진할 뿐만 아니라 고체/액체 계면에서 전하 재결합을 억제할 수 있음을 의미한다. 또한, 박막의 캐리어 밀도는 GaN, 비교예 1(β-Ga2O3/GaN-10s), 실시예 1(β-Ga2O3/GaN-30s) 및 비교예 2(β-Ga2O3/GaN) 박막에 대해 약 1.34 × 1023, 6.38 × 1023, 3.08 × 1023 및 5.75 × 1023으로 측정된다. 따라서 낮은 저항과 강한 밴드 굽힘을 통하여 캐리어 밀도가 높기 때문에 에칭 과정을 거치지 않은 전극의 PEC 활성에 비해 실시예 1(β-Ga2O3/GaN-30s) 박막의 PEC 활성이 향상됨을 확인하였다.A positive slope in all samples represents the characteristics of an n-type semiconductor. GaN, Comparative Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-10s), Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-30s) and Comparative Example 2 (β-Ga 2 O 3 /GaN-1min) thin films The flat-band potential (E FB ) measured at is -0.36, -0.45, -0.53 and -0.40 V RHE , respectively. This means that the low E FB causes strong band bending in the interfacial region, which not only promotes the fast separation of photogenerated charges but also suppresses charge recombination at the solid/liquid interface. In addition, the carrier density of the thin film is GaN, Comparative Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-10s), Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-30s) and Comparative Example 2 (β-Ga 2 O 3 /GaN) for the thin film, which measures about 1.34 × 10 23 , 6.38 × 10 23 , 3.08 × 10 23 and 5.75 × 10 23 . Therefore, it was confirmed that the PEC activity of the thin film of Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-30s) was improved compared to the PEC activity of the electrode without etching because the carrier density was high through low resistance and strong band bending.

도 10을 참조하면, 1.23VRHE에서 일정한 빛을 조사하였을 때, 시간에 따른 광전류 밀도를 측정하여 GaN 및 실시예 1(β-Ga2O3/GaN-30s)의 광안정성을 조사하였다. GaN 박막은 초기에 높은 Jph를 보였으나, 축적된 정공에 의한 부식으로 인해 Jph가 급격히 저하되었다. 그러나 실시예 1(β-Ga2O3/GaN-30s)은 9시간 동안의 반응 동안 초기 Jph 값의 약 99%를 유지하는 것을 확인하여 PEC 반응에서 우수한 안정성을 가짐을 확인하였다. 이는 GaN 박막에서 산화반응이 일어나며, 알칼리 용액에서 Ga가 용해되어 GaN 박막이 분해됨을 알 수 있다. 그러나 GaN 박막 상에 다공성 β-Ga2O3 산화물 층으로 인하여 β-Ga2O3/GaN 박막이 PEC 반응에 있어서 우수한 안정성을 나타낸다.Referring to FIG. 10, when a constant light was irradiated at 1.23V RHE , the photocurrent density over time was measured to investigate the photostability of GaN and Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-30s). The GaN thin film initially showed a high J ph , but the J ph rapidly decreased due to corrosion by the accumulated holes. However, Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-30s) was confirmed to have excellent stability in the PEC reaction by maintaining about 99% of the initial J ph value during the reaction for 9 hours. It can be seen that an oxidation reaction occurs in the GaN thin film, and Ga is dissolved in an alkaline solution to decompose the GaN thin film. However, due to the porous β-Ga 2 O 3 oxide layer on the GaN thin film, the β-Ga 2 O 3 /GaN thin film exhibits excellent stability in the PEC reaction.

도 11을 참조하면, 1.23VRHE의 일정한 전위에서 GC 분석을 통하여 초기 30분 동안 O2 가스의 발생 속도는 ~1.45 μmol이며, 3시간 동안 반응을 진행시킬 경우 ~9.5 μmol이 산출되는 것을 확인하여 O2 가스가 충분히 생성되었음을 확인하였고, 실시예 1(β-Ga2O3/GaN-30s)의 우수한 안정성을 확인하였다.Referring to FIG. 11, through GC analysis at a constant potential of 1.23V RHE , the generation rate of O 2 gas for the initial 30 minutes is ~1.45 μmol, and when the reaction proceeds for 3 hours, it is confirmed that ~9.5 μmol is calculated It was confirmed that O 2 gas was sufficiently generated, and excellent stability of Example 1 (β-Ga 2 O 3 /GaN-30s) was confirmed.

<실험예 3> Ni-Pi 증착 GaN 및 β-Ga2O3/GaN-30s 박막의 구조 분석<Experimental Example 3> Structure analysis of Ni-Pi deposited GaN and β-Ga 2 O 3 /GaN-30s thin films

β-Ga2O3/GaN-30s 박막에 인산니켈(Ni3(PO4)2; Ni-Pi)을 광전착한 물질의 표면 형태와 미세 구조를 FE-SEM으로 관찰하였다.The surface morphology and microstructure of the material photoelectrodeposited with nickel phosphate (Ni 3 (PO 4 ) 2 ; Ni-Pi) on a β-Ga 2 O 3 /GaN-30s thin film were observed using FE-SEM.

도 12를 참조하면, β-Ga2O3/GaN-30s 박막의 표면에 직경 ~10 nm의 Ni-Pi 나노입자가 균일하게 증착되어 있음을 알 수 있다. 그리고 Ni-Pi 나노입자가 균일한 구형으로 존재하고, Ni-Pi 광전착을 위한 최적 조건(t=200초)에서 응집이 없음을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 12 , it can be seen that Ni-Pi nanoparticles having a diameter of ~10 nm are uniformly deposited on the surface of the β-Ga 2 O 3 /GaN-30s thin film. In addition, it was confirmed that the Ni-Pi nanoparticles were present in a uniform spherical shape and there was no aggregation under the optimal conditions (t = 200 seconds) for Ni-Pi photoelectrodeposition.

도 13을 참조하면, Ni-Pi/β-Ga2O3/GaN-30s의 EDX 스펙트럼을 통하여 Ga, N, O, Ni 및 P 원소가 필름에 존재하고, 필름에 존재하는 각 원소의 비율을 살펴보면, Ga, N, O, Ni, P가 각각 45.72%, 40.98%, 8.46%, 3.6%, 1.24% 포함되어, Ni-Pi가 형성되었음을 알 수 있다.Referring to FIG. 13, through the EDX spectrum of Ni-Pi/β-Ga 2 O 3 /GaN-30s, Ga, N, O, Ni, and P elements are present in the film, and the ratio of each element present in the film is Looking at it, it can be seen that 45.72%, 40.98%, 8.46%, 3.6%, and 1.24% of Ga, N, O, Ni, and P were included, respectively, and Ni-Pi was formed.

또한, Ni-Pi/β-Ga2O3/GaN-30s에서 Ni와 P의 화학적 상태를 알아보기 위해 XPS 분석을 수행하였다.In addition, XPS analysis was performed to investigate the chemical states of Ni and P in Ni-Pi/β-Ga 2 O 3 /GaN-30s.

도 14를 참조하면, Ni-Pi/β-Ga2O3/GaN-30s의 Ni2p 스펙트럼은 855.57, 857.38, 873.46 및 874.90 eV에서 피크를 나타냈으며, 856.04 및 873.70 eV를 중심으로 하는 피크는 인산염 및 수산화물 이온과 상호 작용할 수 있는 Ni2p3/2 및 Ni2p1/2에 해당한다. 즉, Ni2p 스펙트럼에서 857.38 eV 및 874.90 eV의 피크는 수화된 Ni3(PO4)2 및 Ni(OH)2의 존재를 나타낸다. P2p 스펙트럼은 133.22 eV 및 134.05 eV에서 피크를 나타내고, 이는 Ni3(PO4)2에서 P-O 결합을 의미한다. 특히, 133.22 eV에서의 피크는 Ni-Pi/β-Ga2O3/GaN-30s에서 P2p 스펙트럼 전체 면적의 80-85%를 구성하며, 이는 Ni3(PO4)2 표면의 주요 성분이 PO4 3-임을 나타낸다. 또한, O1s 스펙트럼을 통하여 인산니켈의 형성을 확인하였다. O1s 스펙트럼은 하나의 넓은 스펙트럼을 나타내는데, 531.2 eV에서의 피크는 Ni-OH 및 P-O 결합을 의미한다Referring to FIG. 14, the Ni 2p spectrum of Ni-Pi/β-Ga 2 O 3 /GaN-30s showed peaks at 855.57, 857.38, 873.46, and 874.90 eV, and the peaks centered at 856.04 and 873.70 eV were phosphate and Ni 2p3/2 and Ni 2p1/2 capable of interacting with hydroxide ions. That is, peaks at 857.38 eV and 874.90 eV in the Ni 2p spectrum indicate the presence of hydrated Ni 3 (PO 4 ) 2 and Ni(OH) 2 . The P 2p spectrum shows peaks at 133.22 eV and 134.05 eV, indicating PO bonding at Ni 3 (PO 4 ) 2 . In particular, the peak at 133.22 eV constitutes 80-85% of the total area of the P 2p spectrum in Ni-Pi/β-Ga 2 O 3 /GaN-30s, which is the major component of the Ni 3 (PO 4 ) 2 surface. PO 4 3- . In addition, the formation of nickel phosphate was confirmed through the O 1s spectrum. The O 1s spectrum shows one broad spectrum, with a peak at 531.2 eV representing Ni-OH and PO bonds.

또한, PEC 시험 후의 변화를 알아보기 위해 Ni-Pi/β-Ga2O3/GaN-30s에 대해서 XPS 분석을 수행하였다. PEC 테스트 후 Ni2p1/2 및 Ni2p3/2의 피크는 각각 855.52 및 873.36 eV에서 관찰되었으며, 이들 피크는 면적의 변화 없이 positive shift(0.5 eV)하는 것을 보여, Ni가 P에 전자를 공여하여 부분적으로 양전하를 갖는 전자 결핍 상태를 형성함을 나타낸다. 이것은 Ni-Pi 표면의 Ni2+가 전해질에서 PEC 테스트 동안 환원되었음을 나타낸다. 또한, P2p 스펙트럼에서 작은 negative shift(0.4 eV)가 관찰되었으며, 이는 PEC 반응 동안 전자 분포가 재구성되었음을 나타내지만. 그 범위가 작아 Ni3(PO4)2가 촉매로 작용할 때 안정적임을 나타낸다. 또한, O1s스펙트럼은 거의 변화가 없는 것으로 보아 Ni3(PO4)2가 PEC 반응에 크게 영향을 받지 않는다는 것을 증명한다.In addition, XPS analysis was performed on Ni-Pi/β-Ga 2 O 3 /GaN-30s to find out the change after the PEC test. After the PEC test, the peaks of Ni 2p1/2 and Ni 2p3/2 were observed at 855.52 and 873.36 eV, respectively, and these peaks showed a positive shift (0.5 eV) without a change in area, indicating that Ni donated electrons to P and partially indicates the formation of an electron-deficient state with a positive charge. This indicates that the Ni 2+ on the Ni-Pi surface was reduced during the PEC test in the electrolyte. In addition, a small negative shift (0.4 eV) was observed in the P 2p spectrum, although it indicated that the electron distribution was reorganized during the PEC reaction. The range is small, indicating that Ni 3 (PO 4 ) 2 is stable when acting as a catalyst. In addition, the O 1s spectrum shows almost no change, proving that Ni 3 (PO 4 ) 2 is not greatly affected by the PEC reaction.

<실험예 4> Ni-Pi 증착 GaN 및 β-Ga2O3/GaN의 PEC 특성 분석<Experimental Example 4> PEC Characteristic Analysis of Ni-Pi Deposited GaN and β-Ga 2 O 3 /GaN

Ni-Pi 조촉매가 PEC에 미치는 영향을 이해하기 위해 GaN 및 β-Ga2O3/GaN-30s 박막에 Ni-Pi 나노 입자를 증착하고 PEC 성능을 테스트했다To understand the effect of the Ni-Pi cocatalyst on PEC, Ni-Pi nanoparticles were deposited on GaN and β-Ga 2 O 3 /GaN-30s thin films and the PEC performance was tested.

도 15를 참조하면, 광전착된 Ni-Pi 층은 특히 0VRHE 부근의 저전위 영역에서 J를 향상시켰다. 즉, Ni-Pi/GaN은 0VRHE에서 0.04 mA·cm-2의 J 값을 나타내는 반면, Ni-Pi/β-Ga2O3/GaN은 0VRHE에서 1.4 mA·cm-2의 J 값을 나타낸다. 광전류는 인가된 전압이 커짐에 따라 증가하지만, 약 0.5 VRHE의 인가 전압 이상에서는 더 이상 증가하지 않는다. 즉, 인가 전압이 증가하여도 전하 캐리어의 수를 크게 증가시키지 않으며, 전하 캐리어의 이동이 공간 전하층 내에서 안정한 상태에 도달한다는 것을 의미한다. 이러한 광전류는 1.23VRHE에서 1.2 mA·cm-2 및 1.48 mA·cm-2으로 수렴한다. 즉, β-Ga2O3는 GaN 박막에서 전하 분리를 개선할 뿐만 아니라 전하 재결합을 지연시키는 역할을 하고, Ni-Pi 층은 Ni-Pi 층과 전해질의 계면 영역에서 물 산화 반응의 촉매 활성을 향상시키는 역할을 하여, PEC 물 산화 조촉매로 작용하는 Ni-Pi가 β-Ga2O3/GaN 박막의 표면에서 반응을 촉진시켜 PEC 성능을 향상시킬 수 있다.Referring to FIG. 15 , the photoelectrodeposited Ni-Pi layer improved J, especially in the low potential region around 0V RHE . That is, Ni-Pi/GaN exhibits a J value of 0.04 mA cm -2 at 0 V RHE , while Ni-Pi/β-Ga 2 O 3 /GaN exhibits a J value of 1.4 mA cm -2 at 0 V RHE . indicate The photocurrent increases as the applied voltage increases, but does not increase any more above the applied voltage of about 0.5 V RHE . That is, even if the applied voltage increases, the number of charge carriers does not greatly increase, and the movement of charge carriers reaches a stable state in the space charge layer. These photocurrents converge to 1.2 mA cm -2 and 1.48 mA cm -2 at 1.23V RHE . In other words, β-Ga 2 O 3 not only improves charge separation in the GaN thin film but also delays charge recombination, and the Ni-Pi layer catalyzes the water oxidation reaction at the interface between the Ni-Pi layer and the electrolyte. Ni-Pi, which acts as a cocatalyst for PEC water oxidation, promotes the reaction on the surface of the β-Ga 2 O 3 /GaN thin film to improve PEC performance.

도 16을 참조하면, Ni-Pi/GaN 및 Ni-Pi/β-Ga2O3/GaN-30s의 Vph는 각각 약 1.03 및 1.4 V이며, 이는 β-Ga2O3/GaN-30s 박막에서 관찰된 Vph(1.2V)과 비교하여 Ni-Pi 층이 0.2 V의 Vph를 제공함을 의미한다. 즉, Ni-Pi/β-Ga2O3/GaN-30s는 PEC 반응을 촉진하기 위하여 계면에서 전하의 이동을 촉진시킬 수 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 16, the V ph of Ni-Pi/GaN and Ni-Pi/β-Ga 2 O 3 /GaN-30s are about 1.03 and 1.4 V, respectively, which corresponds to the β-Ga 2 O 3 /GaN-30s thin film. This means that the Ni-Pi layer provides a V ph of 0.2 V compared to the V ph (1.2 V) observed in . That is, it can be seen that Ni-Pi/β-Ga 2 O 3 /GaN-30s can promote charge transfer at the interface to promote the PEC reaction.

도 17을 참조하면, β-Ga2O3/GaN 막에 대한 Ni-Pi 층의 영향을 시간 경과에 따른 H2/O2 생성량을 통해 확인할 수 있다. PEC 셀은 작업 전극으로 Ni-Pi/β-Ga2O3/GaN 필름을 사용하였고, 기준 전극으로 Ag/AgCl을 사용하였으며, 상대 전극으로 Pt 플레이트를 사용하였다. 방출된 H2 및 O2의 양은 0 VRHE 조건에서 가스 크로마토그래피를 통해 검출하였다. Ni-Pi/β-Ga2O3/GaN-30s 필름에서는 ~1.3 mA·cm-2의 안정적인 전류 밀도를 나타냈고, 패러데이 효율은 감지된 가스의 양을 총 전하로부터 계산된 가스의 양으로 나누어 다음 식과 같이 계산된다.Referring to FIG. 17 , the effect of the Ni-Pi layer on the β-Ga 2 O 3 /GaN film can be confirmed through the amount of H 2 /O 2 generated over time. The PEC cell used a Ni-Pi/β-Ga 2 O 3 /GaN film as a working electrode, Ag/AgCl as a reference electrode, and a Pt plate as a counter electrode. The amount of released H 2 and O 2 was detected by gas chromatography under 0 V RHE conditions. The Ni-Pi/β-Ga 2 O 3 /GaN-30s film showed a stable current density of ~1.3 mA cm -2 , and the Faraday efficiency was calculated by dividing the detected gas amount by the calculated gas amount from the total charge. It is calculated according to the following formula.

Figure 112021109556137-pat00001
Figure 112021109556137-pat00001

여기서 z는 방출된 O2(mol) 기체, n은 반응에 관여하는 전자(H2에서 n=2, O2에서 n=4), F는 패러데이 상수(96485 C·mol-1), Q는 작업 전극을 통과한 전하량을 의미한다.where z is the released O 2 (mol) gas, n is the electron involved in the reaction (n=2 in H 2 , n=4 in O 2 ), F is the Faraday constant (96485 C mol -1 ), and Q is It means the amount of charge passing through the working electrode.

Ni-Pi/β-Ga2O3-30s/GaN의 H2 및 O2 가스 발생 속도는 20분마다 각각 4.2 μmol 및 2.3 μmol로 측정되었으며, 3시간 후에 36 μmol 및 16 μmol에 도달하였다. Ni-Pi/β-Ga2O3/GaN은 높은 광안정성과 함께 높은 H2 생산율을 나타냈다. 최대 H2:O2 비율은 거의 2:1이었고, 이는 물 분해 반응이 화학량론적이며 패러데이 효율이 100%임을 나타낸다. 가스 발생 속도는 3 사이클을 실행할 때까지 매우 안정적이었고 다른 산화/환원 반응은 발생하지 않았다.The H 2 and O 2 outgassing rates of Ni-Pi/β-Ga 2 O 3 -30 s/GaN were measured to be 4.2 μmol and 2.3 μmol every 20 min, respectively, and reached 36 μmol and 16 μmol after 3 h. Ni-Pi/β-Ga 2 O 3 /GaN exhibited high photostability and high H 2 production rate. The maximum H 2 :O 2 ratio was nearly 2:1, indicating that the water splitting reaction was stoichiometric and the Faradaic efficiency was 100%. The rate of gas evolution was very stable until 3 cycles were run and no other oxidation/reduction reactions occurred.

도 18을 참조하면, Ni-Pi/β-Ga2O3/GaN 필름의 안정성을 평가하였다. 필름은 장기간의 광안정성 시험 동안 눈에 띄는 붕괴를 나타내지 않았으며, 이는 조촉매와 조합된 β-Ga2O3 산화물이 GaN 광양극의 광안정성을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 의미한다.Referring to FIG. 18, the stability of the Ni-Pi/β-Ga 2 O 3 /GaN film was evaluated. The film did not show any appreciable collapse during the long-term photostability test, indicating that the β-Ga 2 O 3 oxide combined with the cocatalyst can effectively improve the photostability of the GaN photoanode.

상기 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 광전기화학 소자는 열처리 과정에 의하여 자연스럽게 성장한 산화물을 도입하여 패시베이션 효과에 의해 안정성이 확보된 광전기화학 소자를 구현할 수 있다. 또한, 촉매를 추가적으로 사용하여 효율이 우수한 광전기화학 소자를 제조할 수 있는 장점이 있다.As described above, the photoelectrochemical device according to the present invention can implement a photoelectrochemical device in which stability is secured by a passivation effect by introducing an oxide naturally grown through a heat treatment process. In addition, there is an advantage in that a photoelectrochemical device having excellent efficiency can be manufactured by additionally using a catalyst.

Claims (18)

기판 상에 위치하는 제1금속 질화물 박막층;
상기 제1금속 질화물 박막층 상에 위치하는 제1금속 산화물층; 및
상기 제1금속 산화물층 상에 위치하는 제2금속 인산화물층을 포함하는, 광전기화학 소자.
A first metal nitride thin film layer located on the substrate;
a first metal oxide layer positioned on the first metal nitride thin film layer; and
A photoelectrochemical device comprising a second metal phosphate layer positioned on the first metal oxide layer.
제1항에 있어서,
상기 제1금속은 갈륨(Ga), 탄탈럼(Ta), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 란타넘(La), 스트론튬(Sr), 니오븀(Nb)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는, 광전기화학 소자.
According to claim 1,
The first metal is selected from the group consisting of gallium (Ga), tantalum (Ta), barium (Ba), titanium (Ti), lanthanum (La), strontium (Sr), and niobium (Nb), photoelectrochemical device.
제1항에 있어서,
상기 제1금속 질화물 박막층은 다공성을 가지는, 광전기화학 소자.
According to claim 1,
The first metal nitride thin film layer has a porous, photoelectrochemical device.
제1항에 있어서,
상기 제1금속 산화물은 제1금속 질화물 박막층의 산화반응에 의해 유래된 것인, 광전기화학 소자.
According to claim 1,
The first metal oxide is derived from the oxidation reaction of the first metal nitride thin film layer, the photoelectrochemical device.
제1항에 있어서,
상기 제1금속 산화물은 단사정계 결정을 가지는, 광전기화학 소자.
According to claim 1,
The first metal oxide has a monoclinic crystal, a photoelectrochemical device.
제1항에 있어서,
상기 제1금속 산화물은 제1금속 질화물에 대하여 3 내지 15 at% 포함되는, 광전기화학 소자.
According to claim 1,
The first metal oxide is contained in 3 to 15 at% with respect to the first metal nitride, the photoelectrochemical device.
제1항에 있어서,
상기 제1금속 산화물층의 두께가 1 내지 100 nm인, 광전기화학 소자.
According to claim 1,
A photoelectrochemical device having a thickness of the first metal oxide layer of 1 to 100 nm.
제1항에 있어서,
상기 제2금속은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 크롬(Cr), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는, 광전기화학 소자.
According to claim 1,
The second metal is selected from the group consisting of nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), chromium (Cr), copper (Cu), zinc (Zn), aluminum (Al) and magnesium (Mg) , photoelectrochemical devices.
제1항에 있어서,
상기 제1금속은 갈륨(Ga)이며, 제2금속은 니켈(Ni)인, 광전기화학 소자.
According to claim 1,
Wherein the first metal is gallium (Ga) and the second metal is nickel (Ni).
제1항에 있어서,
상기 제2금속 인산화물층은 제1금속 산화물층 상에 불연속적인 나노입자로 분산된 것인, 광전기화학 소자.
According to claim 1,
The second metal phosphate layer is a photoelectrochemical device that is dispersed as discontinuous nanoparticles on the first metal oxide layer.
제1항에 있어서,
X선 광전자 분광법으로 깊이 프로파일링 측정 시, 제2금속이 검출되기 시작하는 최초 깊이에서 제1금속도 동시에 검출되는, 광전기화학 소자.
According to claim 1,
A photoelectrochemical device wherein the first metal is simultaneously detected at an initial depth at which the second metal is detected during depth profiling measurement by X-ray photoelectron spectroscopy.
제10항에 있어서,
상기 나노입자 형태의 제2금속 인산화물의 입경이 1 내지 10 nm인, 광전기화학 소자.
According to claim 10,
A particle diameter of the second metal phosphate in the form of nanoparticles is 1 to 10 nm, a photoelectrochemical device.
(a) 제1금속 질화물 박막층을 제조하는 단계;
(b) 상기 단계(a)에서 제조된 박막층을 에칭하는 단계;
(c) 상기 단계(b)에서 에칭된 박막층을 공기중에서 열처리하는 단계; 및
(d) 제2금속 인산화물층을 광전착하는 단계를 포함하는, 광전기화학 소자의 제조방법.
(a) preparing a first metal nitride thin film layer;
(b) etching the thin film layer prepared in step (a);
(c) heat-treating the thin film layer etched in step (b) in air; and
(d) a method of manufacturing a photoelectrochemical device comprising the step of photoelectrodepositing a second metal phosphate layer.
삭제delete 제13항에 있어서,
상기 단계 (b)의 에칭하는 단계는 20 내지 40초 동안 진행하는, 광전기화학 소자의 제조방법.
According to claim 13,
The etching step of step (b) proceeds for 20 to 40 seconds, a method of manufacturing a photoelectrochemical device.
제13항에 있어서,
상기 단계 (c)의 열처리하는 단계는 400 내지 800℃에서 진행하는, 광전기화학 소자의 제조방법.
According to claim 13,
The heat treatment of step (c) is performed at 400 to 800 ° C., a method for manufacturing a photoelectrochemical device.
제13항에 있어서,
상기 광전착은 100 내지 300초동안 진행하는, 광전기화학 소자의 제조방법.
According to claim 13,
Wherein the photoelectrodeposition proceeds for 100 to 300 seconds, a method for manufacturing a photoelectrochemical device.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 광전기화학 소자에 광을 조사하여 물을 분해하는 방법.
A method of decomposing water by irradiating light to the photoelectrochemical device according to any one of claims 1 to 12.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Jih-Shang Hwang et al., ‘Growth of beta Ga2O3 and GaN nanowires on GaN for photoelectrochemical hydrogen generation’, Nanotechnology 24 (2013) 055401 (10pp) (2013.10.16.) 1부.*
성채원 외 3명. 산소발생용 Cobalt-phosphate (Co-pi) 촉매를 이용한 Gallium Nitride (GaN) 광전극의 광전기화학적 특성. 마이크로전자및패키징학회지(2020) Vol.27 Iss.2, Page 33-38 (2020.06.30.) 1부.*

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