광전기화학(PEC) 기반의 물 분해는 무한한 태양에너지를 활용하며 친환경적인 그린 수소를 생산하는 유망한 기술이다. 경제적인 수소에너지 생산을 달성하려면 저비용 공정과 지구에 풍부한 원소로 구성된 고성능의 광전극을 개발하는 것이 필수적이다. 광전극은 광양극과 광음극으로 구성되며 빛 흡수, 전자-정공쌍 생성, 전하분리, 전하수송, 그리고 부산물 (H₂, O₂, CO, CH₄) 생성으로 진행된다. 하지만 광전하는 광전극의 다양한 결함에 의한 재결합과 계면저항에 의해 쉽게 손실된다. 이에따라 대부분의 광전극 소재는 밴드갭을 기반으로 하는 이론적 광전류 및 수소 변환 효율 (STH)을 달성하지 못하고 있다. 광전극에서 생성된 광전하의 낮은 효율 문제를 해결하기 위하여 적합한 소재의 선택 및 소자의 구성 연구가 필요하다.

본 학위논문은 고효율 및 장시간 안정성을 보장하기 위해 흡수층, 전하수송층, 표면보호층 그리고 촉매로 구성된 다층 구조 광전극을 설계하고 각층의 적합한 소재를 선정 및 전기화학방법으로 성막하여 광전기화학 수소변환 효율을 평가하고자 한다.

2 장에서는 p-Cu₂O 흡수층의 전기화학 성막 과정에서 소량의 금속 첨가제를 활용하여 우선성장을 선택적으로 제어하였다. 전기화학 성막 과정에서 전극 표면의 수산화이온 농도 제어에 따라 Cu₂O 성장 반응 속도가 결정된다. Pb 및 Sb 금속 첨가제는 Cu₂O 전기화학 공정과정동안 전기화학 이중층에서 OH- 이온을 소비 및 공급하여 (200) 사각뿔 및 (111) 삼각뿔을 생성한다. 또한, 전기화학 성막 과정에서 초기 핵 생성을 제어하고 Cu₂O 배향을 조절하는 펄스 전착을 설계하여 번들 원주형 구조의 Cu₂O 광흡수층을 성장시켜 높은 전하 전달 효율을 달성하였다.

3 장에서는 흡수층에서 생성된 광전하의 수명을 증가시키기 위해 전하수송층을 적층하고 광전기화학 기법으로 흡수층의 표면결함을 최소화하였다. 먼저, Cu₂O/CuO 헤테로접합 광음극의 전하수송 영향을 강화하기 위해 새로운 p-CuO 전하수송층을 제안한다. 광전기화학 저온 산화기술로 Cu₂O 광흡수층 표면에 4 nm 두께의 초박형 CuO 로 상변화를 이루었다. 추가적으로, 원자층 증착(ALD)으로 준비된 Al:ZnO(n-AZO) 필름은 Cu₂O/CuO/AZO 계면에서 내장 전위를 높이고 광전하 수송 효율을 증가시켰다.

4장에서는 장시간 안정성을 위한 표면보호층을 성장시키고 표면보호층과 촉매를 전기화학적으로 연결시켜 높은 수소변환 효율을 달성하였다. 저항 변화 메모리 장치에서 비휘발성 금속과 같은 전류 흐름 특성을 갖는 나노 필라멘트를 기반으로 강력하고 안정적인 PEC 기능을 위해 전략적으로 개선된 TiO₂ 표면 보호층의 전도성 필라멘트 형성 연구를 진행했다. Cu₂O/CuO/AZO/TiO₂ 광음극과 필라멘트에 선택적 성장된 Pt 촉매에 의해 약 11.9 mA cm-2의 탁월한 광전류 밀도와 0.73 V의 우세한 개방 회로 전위를 달성했다.