마이크로 크기 표면을 통한 광전류와 화학반응률을 동시에 이미지화하는 미세분석 기술의 매력적인 결합을 이용하여 미국 국립표준과학연구소(NIST)의 연구원들은 물과 태양광으로부터 직접 수소를 생산하는 가격 효율적인 방법을 개발해 냈다.

연구원들은 전기 대신 수소 가스를 생성하는 기본적으로 태양전지인 잠재적으로 효율적이고 가격 효율적인 광전기화학 (PEC) 전지를 개발했다. NIST 화학공학자인 Daniel Esposito는 태양 에너지의 주된 문제는 태양 간헐 노광을 어떻게 처리할 것인가라고 주장했다.

일상생활에서 꾸준한 에너지 공급를 요구하지만, 태양은 항상 빛나는 것이 아니어서 태양이 비추지 않은 때 사용할 수 있는 형태로 태양 에너지를 전환할 필요가 있다. 대형 에너지 저장이나 운송을 위해, 수소는 많은 장점을 가지고 있다.

간추려서 말하면, PEC 전지는 광자들을 흡수하고 이 광자들을 에너제틱(energetic) 전자들로 전환하는 반도체 광전극을 가지고 있다. 이 에너제틱 전자들은 물 분자들을 수소와 산소 가스들로 분리하는 화학 작용들을 촉진시키는데 이용된다. 최고의 PEC 전지는 12.5 % 근처의 효율을 실현했다.

그러나, 이러한 전지는 평방미터당 천달러로 매우 고가로 평가되고 또한 안정성에 있어 문제가 되고 있다. 가장 큰 문제는 최고 전환 효율을 얻는데 사용되는 반도체들이 전지의 물 기반 전해질에 의해 부식되기 매우 쉽다는 것이다. 효율적이고 안정적이며 경제적인 PEC 전극을 찾기가 힘들다.

NIST 연구팀이 제안한 해법은 효율/안정성 상반관계를 극복할 수 있는 금속-절연체-반도체(MIS) 디자인을 이용한 실리콘 기반 소자이다. 중요한 점은 광자 수집을 하는데 잘 어울리는 반도체인 실리콘 상에 절연체인 매운 얇지만 매우 균일한 실리콘 이산화물 층을 증착하는 것이다.

이 상부에서는 백금으로 덮인 타아타늄으로 구성된 작은 전극 폴카-도트(polka-dot) 배열이 있다. 안정한 산화물 층은 전해질로부터 반도체를 보호하지만, 이 층은 매우 얇아 광자들이 반도체로 투과하기에 충분히 투명하며 광발생 전자들은 백금이 수소를 발생시키는 반응을 촉매하는 전극에 도달하기 위한 반대 방향으로 터널할 수 있다.

MIS 소자를 위해서는 특히 산화층이 정확하게 증착되어야 하는 훌륭한 제조 조절이 필요하지만, 연구원들은 저가 실리콘 기반 소자 제조에 대한 수십 년간의 경함을 가지고 있는 전자 산업에서는 표준인 제조기술들을 이용했다고 강조했다.

더 자세한 시스템을 연구하기 위해, NIST 연구팀은 마이크로 미터 분해능으로 광전류를 기록하기 위해 동시에 작은 부분만 조사하도록 레이저 빔을 가진 소자의 표면을 스캔했다. 이 레이저 빔과 함께, 연구원들은 전체 반응의 화학적인 절반인 분자 수소 생성률을 측정하기 위해 표면을 가로질러 초미세전극을 추적했다.

이 측정들은 MIS 광전극 디자인의 두 가지 효과들을 관찰할 수 있게 해 주었다. 이 효과들은 수소 생성을 위한 이차 메커니즘이 산화층을 통한 전자의 채널링(channeling)에 의해 발생하고 예측된 것보다 반응 장소로 전자들의 더 효율적으로 이동한다는 것이다.

 

                            복잡한 패턴을 보인다.


NIST 연구팀은 작동 중 매우 우수한 안정성을 보이면서 2.9퍼센트의 효율을 가진다고 계산했다. 이 효율은 더 고가인 디자인들에 비해 훨씬 낮지만, 비슷한 실리콘 기반 MIS 소자들의 이전 결과들에 비해 15배 더 높은 것이다.

이 시스템의 미세분석에서 얻어진 새로운 데이터들은 성능 개선에 대한 수 많은 잠재적 방법들을 발견할 수 있게 해 줄 것으로 기대된다. 더 자세한 내용은 Nature Materials에 언급되어 있다.

참고 자료: Esposito, D. et al. H2 evolution at Si-based metal -insulator- semiconductor photoelectrodes enhanced by inversion channel charge collection and H spillover. Nature Materials. doi:10.1038/nmat3626

 

 

 

Researchers find significant improvement in the performance of solar-powered hydrogen generation
 
May 15, Chemistry/Materials Science

(Phys.org)-Using a powerful combination of microanalytic techniques that simultaneously image photoelectric current and chemical reaction rates across a surface on a micrometer scale, researchers at the National Institute of Standards and Technology (NIST) have shed new light on what may become a cost-effective way to generate hydrogen gas directly from water and sunlight.

Their quarry is a potentially efficient, cost -effective, photoelectrochemical(PEC) cell- essentially a solar cell that produces hydrogen gas instead of electric current. "A major challenge with solar energy is dealing with solar intermittency," says NIST chemical engineer Daniel Esposito.

"We demand energy constantly, but the sun's not always going to be shining, so there's an important need to convert solar energy into a form we can use when the sun's not out. For large-scale energy storage or transportation, hydrogen has a lot of benefits."
 

At its simplest, a PEC cell contains a semiconducting photoelectrode that absorbs photons and converts them into energetic electrons, which are used to facilitate chemical reactions that split water molecules into hydrogen and oxygen gases. It's not that easy. The best PEC cell has been demonstrated with an efficiency around 12.5 percent, says Esposito.

But, "it's been estimated that such a cell would be extremely expensive -thousands of dollars per square meter- and they also had issues with stability," he says. One big problem is that the semiconductors used to achieve the best conversion efficiency also tend to be highly susceptible to corrosion by the cell's water-based electrolyte. A PEC electrode that is efficient, stable and economical to produce has been elusive.
 

The NIST team's proposed solution is a silicon-based device using a metal-insulator-semiconductor (MIS) design that can overcome the efficiency/stability trade-off. The key is to deposit a very thin, but very uniform, layer of silicon dioxide-an insulator-on top of the semiconductor-silicon-that is well-suited for doing the photon-gathering work.

On top of that is a polka-dot array of tiny electrodes consisting of platinum-covered titanium. The stable oxide layer protects the semiconductor from the electrolyte, but it's thin enough and transparent enough that the photons will travel through it to the semiconductor, and the photo-generated electrons will "tunnel" in the opposite direction to reach the electrodes, where the platinum catalyzes the reaction that produces hydrogen.
 

The MIS device requires good production controls -the oxide layer in particular has to be deposited precisely- but Esposito notes that they used fabrication techniques that are standard in the electronics industry, which has decades of experience in building low-cost, silicon-based devices.
 

To study the system in detail, the NIST team scanned the surface of the device with a laser beam, illuminating only a small portion at a time to record photocurrent with micrometer resolution. In tandem with the beam, they also tracked an "ultramicroelectrode" across the surface to measure the rate of molecular hydrogen generation, the chemical half of the reaction.

The combination allowed them to observe two bonus effects of the MIS photoelectrode design: a secondary mechanism for hydrogen generation caused by the channeling of electrons through the oxide layer, and a more efficient transport of electrons to the reaction site than predicted.
 

The NIST team calculates an efficiency of 2.9 percent for their device, which also exhibits excellent stability during operation. While this efficiency is far lower than more costly designs, they note that it is 15 times better than previously reported results for similar silicon-based MIS devices, and the new data from their microanalysis of the system points towards several potential routes to improving performance. The detailed results are found in Nature Materials.

 More information: Esposito, D. et al. H2 evolution at Si-based metal -insulator- semiconductor photoelectrodes enhanced by inversion channel charge collection and H spillover. Nature Materials. Published online, May 5, 2013. doi:10.1038/nmat3626

Provided by National Institute of Standards and Technology