중국과학기술대학교 Yu Shuhong(俞書宏) 원사 연구팀은 협대역 반도체 재료를 기반으로 근적외선 활성을 보유한 격자 정합 형태적 헤테로 접합 광양극 재료를 설계했으며 해당 헤테로 접합은 뛰어난 광전기화학적 수소생산 성능을 나타냈다. 관련 연구 성과는 국제학술지 “Nature Communication”에 게재되었다.

현재 광양극 재료로 사용되고 있는 반도체는 넓은 밴드갭을 가지어 스펙트럼 흡수 범위가 자외선과 가시광선 영역으로 제한된다. 적외선은 태양에너지의 약 50%를 차지하므로 재료의 스펙트럼 흡수 범위를 적외선 영역으로 확장시키면 소자의 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

좁은 밴드갭 반도체는 근적외선 스펙트럼 흡수 능력을 보유하지만 해당 반도체의 전자-포논 상호작용은 광발생 캐리어의 수명을 단축시켜 촉매제 표면의 광생성 정공 농도를 감소시키며 따라서 표면 산화반응의 발생 확율을 감소시킨다.

연구팀은 격자 정합의 형태적 헤테로 접합을 보유한 삼원합금 기반 광양극을 설계했다. 해당 전극의 스펙트럼 흡수 범위는 1,100나노미터로 확장되었으며 광전기화학적 수소생산의 에너지 변환 효율이 개선되었다. 격자 정합의 형태적 헤테로 접합은 격자 비정합의 영향을 피하고 계면 결함의 존재를 줄여 광생성 캐리어의 재결합 속도를 줄이는데 도움이 된다. 실험을 통해 헤테로 접합의 존재가 광생성 캐리어의 분리 효율을 향상시켜 캐리어의 수명을 연장한다는 것을 입증하였다. 따라서 근적외선에서 해당 재료의 광양극의 IPCE와 광전류 밀도는 모두 우수한 성능을 나타낸다.

해당 연구는 근적외선 활성을 보유한 형태적 헤테로 접합의 구축 전략을 제안하였다. 좁은 밴드갭 반도체의 장점을 격자 정합의 형태적 헤테로 접합에 통합함으로써 효과적인 근적외선 활성의 광전기화학 소자 설계를 위한 새로운 가능성을 제공했다.

정보출처 : http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2021-07/27/content_472948.htm?div=-1