Optimization of Photocathode Properties in DC Magnetron Sputtered Cu2ZnSn(S,Se)4 Thin Films via Thickness Variation = DC 마그네트론 스퍼터법으로 제조한 Cu2ZnSn(S,Se)4 박막의 두께 변화에 따른 광음극 특성 최적화 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Photoelectrochemical (PEC) water splitting represents a sustainable strategy for solar-driven hydrogen (H2) generation. Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe), a non-toxic and earth-abundant semiconductor, has emerged as a promising photocathode material owing to its optimal band gap, high optical absorption coefficient, and suitable band alignment for H2 evolution. In this study, the influence of absorber layer thickness on the PEC performance of magnetron-sputtered CZTSSe photocathodes was systematically examined. The Mo/CZTSSe/CdS/TiO2/Pt configuration with an absorber thickness of approximately 1.63 m demonstrated enhanced μ crystallinity, enlarged grain size, and a uniform surface morphology, achieving an effective balance between light absorption and charge transport. Consequently, the optimized photocathode achieved a photocurrent density of 18.22 mA cm-2 at 0 VRHE and a half-cell solar-to hydrogen efficiency of 2.22% in a neutral electrolyte, maintaining about 94% of its initial activity after 90 minutes. Electrochemical impedance spectroscopy confirmed reduced charge-transfer resistance, emphasizing absorber thickness as a key factor for realizing scalable and high-efficiency PEC hydrogen production.

국문 초록 (Abstract)

광전기화학적 물 분해는 태양광을 이용한 수소 생산을 위한 지속가능한 접근법으로 주목받고 있다. 비독성이며 지구상에 풍부한 원소로 이루어진 반도체 Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe)는 적절한 밴드갭, 높은 광흡수 계수, 그리고 수소 발생 반응에 유리한 밴드 정렬을 갖추고 있어 유망한 광음극 재료로 평가된다. 본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링을 통해 제작된 CZTSSe 광음극의 흡수층 두께가 PEC 성능에 미치는 영향을 체계적으로 조사하였다. 흡수층 두께가 약 1.63 µm인 Mo/CZTSSe/CdS/TiO2/Pt 구조는 우수한 결정성, 큰 결정립 크기, 균일한 표면 형태를 보여 광흡수와 전하 수송 사이의 효율적인 균형을 달성하였다. 그 결과, 중성 전해질 조건하에서 0 VRHE에서 18.22 mA cm-2의 광전류 밀도와 2.22%의 하프셀 태양-수소 변환 효율을 기록하였으며, 90분 후에도 초기 활성의 약 94%를 유지하였다. 전기화학 임피던스 분광 분석 결과, 계면 전하 전달 저항이 감소하였음을 확인하였으며, 이는 흡수층 두께가 대면적·고효율 PEC 수소 생산을 위한 핵심 인자임을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• Content
• List of Figures ⅱ
• List of tables ⅳ
• Abstract ⅴ
• 1. INTRODUCTION 1
• 1.1 Global Energy and Environmental Challenges 1
• 1.2 Principle of Photoelectrochemical (PEC) Water Splitting 3
• 1.3 Requirements for Photocathode Materials 5
• 1.4 Limitations of Current CZTSSe Photocathode 6
• 1.5 Research Objectives and Scope of the Present Study 8
• 2. EXPERIMENTAL SECTION 10
• 2.1 Synthesis of CZTSSe Thin Films 10
• 2.2 Fabrication of CZTSSe Photocathode 11
• 2.3 Characterizations 12
• 2.4 PEC and Electrochemical Measurements 13
• 3. RESULTS AND DISCUSSIONS 14
• 3.1 Characterization of CZTSSe absorber layer 14
• 3.2 Influence of absorber thickness on device performance 21
• 4. CONCLUSIONS 34
• References 35
• 국문초록 41