Synthesizing one-dimensional nanostructures of oxide semiconductors is a promising approach to fabricate highefficiency photoelectrodes for hydrogen production from photoelectrochemical (PEC) water splitting. In this work, vertically aligned zinc oxide (ZnO) nanorod arrays are successfully synthesized on fluorine-doped-tin-oxide (FTO) coated glass substrate via seed-mediated hydrothermal synthesis method with the use of a ZnO nanoparticle seed layer, which is formed by thermally oxidizing a sputtered Zn metal thin film. The structural, optical and PEC properties of the ZnO nanorod arrays synthesized at varying levels of Zn sputtering power are examined to reveal that the optimum ZnO nanorod array can be obtained at a sputtering power of 20 W. The photocurrent density and the optimal photocurrent conversion efficiency obtained for the optimum ZnO nanorod array photoanode are 0.13 mA/㎠ and 0.49 %, respectively, at a potential of 0.85 V vs. RHE. These results provide a promising avenue to fabricating earth-abundant ZnO-based photoanodes for PEC water oxidation using facile hydrothermal synthesis.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.28
no.1
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pp.13-20
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2021
GaN has shown good potential owing to its better chemical stability than other materials and tunable bandgap with materials such as InN and AlN. Tunable bandgap allows GaN to make the maximum utilization of the solar spectrum, thus improves the solar-to-hydrogen (STH) efficiency. In addition, GaN band gap contains the oxidation and reduction level of water, so it can split water without external voltage. However, STH efficiency using GaN itself is low and has been actively studied recently to improve it. In this thesis, we have summarized the studies related to the use of GaN as a photoelectrode for photoelectrochemical water splitting.
Baek, Ji Hyun;Lee, Dong Geon;Jin, Young Un;Han, Man Hyung;Kim, Won Bin;Cho, In Sun;Jung, Hyun Suk
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2016.02a
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pp.417-417
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2016
Global environmental deterioration has become more serious year by year and thus scientific interests in the renewable energy as environmental technology and replacement of fossil fuels have grown exponentially. Photoelectrochemical (PEC) cell consisting of semiconductor photoelectrodes that can harvest light and use this energy directly to split water, also known as photoelectrolysis or solar water splitting, is a promising renewable energy technology to produce hydrogen for uses in the future hydrogen economy. A major advantage of PEC systems is that they involve relatively simple processes steps as compared to many other H2 production systems. Until now, a number of materials including TiO2, WO3, Fe2O3, and BiVO4 were exploited as the photoelectrode. However, the PEC performance of these single absorber materials is limited due to their large charge recombinations in bulk, interface and surface, leading low charge separation/transport efficiencies. Recently, coupling of two materials, e.g., BiVO4/WO3, Fe2O3/WO3 and CuWO4/WO3, to form a type II heterojunction has been demonstrated to be a viable means to improve the PEC performance by enhancing the charge separation and transport efficiencies. In this study, we have prepared a triple-layer heterojunction BiVO4/WO3/SnO2 photoelectrode that shows a comparable PEC performance with previously reported best-performing nanostructured BiVO4/WO3 heterojunction photoelectrode via a facile solution method. Interestingly, we found that the incorporation of SnO2 nanoparticles layer in between WO3 and FTO largely promotes electron transport and thus minimizes interfacial recombination. The impact of the SnO2 interfacial layer was investigated in detail by TEM, hall measurement and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) techniques. In addition, our planar-structured triple-layer photoelectrode shows a relatively high transmittance due to its low thickness (~300 nm), which benefits to couple with a solar cell to form a tandem PEC device. The overall PEC performance, especially the photocurrent onset potential (Vonset), were further improved by a reactive-ion etching (RIE) surface etching and electrocatalyst (CoOx) deposition.
With the depletion of fossil fuels and the rising global demand for energy, photoelectrochemical (PEC) water splitting presents a promising solution to avert an energy crisis. Titanium dioxide (TiO2), an n-type semiconductor, has gained popularity as a photoanode due to its remarkable PEC properties. Nevertheless, inherent challenges such as a wide band gap (~3.2 eV), charge recombination, and slow oxygen evolution reaction (OER) rates at the surface limit its practical application by constraining light absorption. To overcome these limitations, we have developed TiO2 nanotubes (NTs) using a facile anodization method. This study examines the impact of anodization growth parameters on solar water oxidation performance. Specifically, TiO2 NTs with modified anodization time (referred to as TiO2-6) showed a 3.5-fold increase in photocurrent density compared to the as-grown TiO2 NTs. Furthermore, electrochemical analyses, such as electrochemical impedance spectroscopy (EIS), indicated a significant decrease in charge transfer resistance following the adjustment of on-off anodization time. Additionally, the TiO2-6 photoanode demonstrated a higher electrochemically active surface area (ECSA) than other samples. Therefore, optimal nanostructuring parameters are crucial for enhancing the PEC properties of TiO2 NTs. Overall, our findings offer valuable insights for fabricating high-quality TiO2 NTs photoanodes, contributing to developing efficient PEC systems for sustainable energy production.
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2018.06a
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pp.50.2-50.2
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2018
The demand for steady and dependable power sources is very high in the field of sustainable energy because of the limited amount of fossil fuels reserves. Among several sustainable alternatives, solar energy may be the most efficient solution because it constitutes the largest renewable energy source. So far, the only practical way to store such large amounts of energy has been to use a chemical energy carrier likewise a fuel. In various solar energy to power conversion systems, the photoelectrochemical (PEC) splitting of water into hydrogen and oxygen by the direct use of solar energy is an ideal process. It is a renewable method of hydrogen production integrated with solar energy absorption and water electrolysis using a single photoelectrode. Previous studies on photoelectrode films for PEC water splitting cells have been mainly focused on synthesizing oxide semiconductors with wide band gaps, such as TiO2(3.2eV), WO3(2.8eV), and Fe2O3(2.3eV). Unfortunately, these pristine oxide photoanodes without any catalysts have relatively low photocurrent densities because of the inherent limitation of insufficient visible light absorption due to the wide bandgap. Specifically, there is a tradeoff between high photocurrent and photoelectrochemical corrosion behavior, which is representative of figures of meritf or PEC materials.
The design and fabrication of photoelectrochemical (PEC) electrodes for efficient water splitting is important for developing a sustainable hydrogen evolution system. Among various development approaches for PEC electrodes, the chemical vapor deposition method of atomic layer deposition (ALD), based on self-limiting surface reactions, has attracted attention because it allows precise thickness and composition control as well as conformal coating on various substrates. In this study, recent research progress in improving PEC performance using ALD coating methods is discussed, including 3D and heterojunction-structured PEC electrodes, ALD coatings of noble metals, and the use of sulfide materials as co-catalysts. The enhanced long-term stability of PEC cells by ALD-deposited protecting layers is also reviewed. ALD provides multiple routes to develop improved hydrogen evolution PEC cells.
Photoelectrochemical (PEC) cells can convert solar energy, the largest potential source of renewable energy, into hydrogen fuel which can be stored, transported, and used on demand. In terms of cost competitiveness compared with fossil fuels, however, both photocatalytic efficiency and cost-effectiveness must be achieved simultaneously. Improvement of cost-effective, scalable, versatile, and eco-friendly fabrication methods has emerged as an urgent mission for PEC cells, and solution-based fabrication methods could be capable of meeting these demands. Herein, we review recent challenges for various nanostructured oxide photoelectrodes fabricated by solution-based processes. Hematite, tungsten oxide, bismuth vanadate, titanium oxide, and copper oxides are the main oxides focused on, and various strategies have been attempted with respect to these photocatalyst materials. The effects of nanostructuring, heterojunctions, and co-catalyst loading on the surface are discussed. Our review introduces notable solution-based processes for water splitting photoelectrodes and gives an outlook on eco-friendly and cost-effective approaches to solar fuel generation and innovative artificial photosynthesis technologies.
Chae, Sang Youn;Jung, Hejin;Joo, Oh-Shim;Hwang, Yun Jeong
Rapid Communication in Photoscience
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v.4
no.4
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pp.82-85
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2015
Photoelectrochemical cell (PEC) is one of the attractive ways to produce clean and renewable energy. However, solar to hydrogen production via PEC system generally requires high external bias, because of material's innate electronic band potential relative to hydrogen reduction potential and/or charge separation issue. For spontaneous photo-water splitting, here, we design dye-sensitized solar cell (DSSC) and their monolithic tandem cell incorporated with a $BiVO_4$ photoanode. $BiVO_4$ has high conduction band edge potential and suitable band gap (2.4eV) to absorb visible light. To achieve efficient $BiVO_4$ photoanode system, electron and hole mobility should be improved, and we demonstrate a tandem cell in which $BiVO_4/WO_3$ film is connected to cobalt complex based DSSC.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2016.02a
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pp.402.2-402.2
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2016
In photoelectrochemical (PEC) water splitting, Cu2ZnSnS4 (CZTS) compound has attracted intense attention as a photocathode due to not only large optical absorption coefficient, but also earth-abundance of constituent elements and suitable band alignment. With rapid development of nanotechnology, one-dimensional nanostructures of CZTS have been investigated as a potential form to achieve high efficiency because the nanostructures are expected to be capable of capturing more light and enhancing charge separation and transport. Here, we report a well-controlled fabrication route for vertically-aligned CZTS nanorod arrays on anodic aluminium oxide (AAO) template via simple sol-gel process followed by deposition of ZnS or CdS buffer layers on the CZTS nanorod to enhance charge separation. The structure, morphology, composition, optical absorption, and PEC properties of the resulting CZTS nanorod samples were characterized using X-ray diffraction, Raman spectroscopy, transmission electron microscopy, energy dispersive X-ray spectrometry, scanning electron microscopy, and UV-vis spectroscopy.
Photoelectrochemical (PEC) water splitting is one of the promising methods for hydrogen production by solar energy. Iron oxide has been effectively investigated as a photoelectrode material for PEC water splitting due to its intrinsic property such as short minority carrier diffusion length. However, iron oxide has a low PEC efficiency owing to a high recombination rate between photoexcited electrons and holes. In this study, we synthesized nanoporous structured iron oxide by anodization to overcome the drawbacks and to increase surface area. The anodized iron oxide was annealed in Ar atmosphere with different purging times. In conclusion, the highest current density of 0.032 mA/cm2 at 1.23 V vs. RHE was obtained with 60 s of pursing for iron oxide(Fe-60), which was 3 times higher in photocurrent density compared to iron oxide annealed with 600 s of pursing(Fe-600). The resistances and donor densities were also evaluated for all the anodized iron oxide by electrochemical impedance spectra and Mott-Schottky plot analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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