跨校研究團隊以超薄原子層材料克服製氫難題

作者 : Susan Hong, EE Times Taiwan

由台灣大學、台灣科技大學與東海大學組成的跨校際「新世代能源研究團隊」發展出創新的光電化學製氫技術,利用石墨烯結合奈米結構矽基材料,提高太陽能分解水產氫效率…

「氫」(Hydrogen)被視為是最具潛力的潔淨能源之一。氫元素十分簡單且易於取得,以氫為主的燃料在運作中僅產生純水,而不至於排放CO2或PM2.5等氣體;從長遠來看,氫有助於同時減少全球暖化與溫室效應等問題。然而,氫氣的製備成本以及必須消耗大量電力,一直是需要克服的瓶頸。

如何以低成本更有效率地產氫,是全球科學家致力於尋找的解決方案。由台灣大學教授陳俊維、台灣科技大學教授黃炳照與東海大學教授王迪彥領軍的跨校際「新世代能源研究團隊」,利用新穎的原子層材料——石墨烯結合奈米結構矽基材料,發展出創新的光電化學製氫技術,能有效利用太陽能分解水,從而產生潔淨的氫能源。

電解水 vs. 光電化學分解水

台灣大學材料系教授陳俊維介紹,目前水分解產生氫(water splitting)的方式有二,包括電解水(electrochemical cell)以及光電化學分解水(photoelectrochemical cells)。電解水在以電產水製氫的過程中,需要觸媒以及大量電力,而光電化學的水分解方式「具備低成本與潔淨能源的天生條件,它利用材料吸收太陽光後產生電子與電洞,再進行產氫反應。在此過程中,不但陽光無需成本,還可產生氫能源。」因此,光電化學電解水較傳統電解水的方式更好。

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用於吸收太陽光的材料,也決定了所能取得的效率。目前常用的材料是矽半導體,矽雖然具有低能隙、涵蓋廣泛的太陽光譜吸收且易取得等優點,但矽基板的表面反射率卻高達40%,陳俊維說:「這表示太陽光照射進來後,有40%的光都被反射掉了。」因此,為了提升效率,太陽能矽基板上經常安裝著抗反射層,讓反射率降低到10%或以下。

此外,矽基板由於不抗酸鹼,在具有酸鹹腐蝕性的電解液中也不夠穩定。目前克服這個問題的方式是採用原子層沈積(ALD)技術,以鍍膜方式在矽表面鍍上一層氧化物保護層,但這項技術相對昂貴。

結合3D石墨烯與矽的蕭基接面

為此,跨校研究團隊採用結合原子層材料石墨烯(Graphene)與矽的方式,形成所謂的蕭基接面(Schottky Junction),能夠有效地讓矽吸收太陽光並分離所產生的電子電洞,成功轉換成氫能。陳俊維說:「石墨烯是自然界已知最薄的材料,單層原子厚度僅0.34奈米(約頭髮直徑的10萬分之1),不但具抗腐蝕性、電子遷移率高且具有高穿透度(以利吸收太陽光)以及可大面積生長等特性。」除了用於保護之外,單層原子石墨烯還可與矽形成蕭基接面。

為了將原子層石墨烯移植至粗糙且抗反射的矽基板表面,研究團隊並開發出奈米結構的矽基板,能讓矽基板表面的反射率減少25%,之後再用軟性高分子方法(EVA)轉印石墨烯至奈米結構基板。

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傳統的PMMA轉印法由於採用質地較硬的高分子基板,將石墨烯轉到粗糙的矽基板表面時,無法形成接面進行轉印。研究人員新開發的EVA具有柔軟、易移除且低彈性模數,更易於轉印石墨烯至奈米結構的矽基板。因此,研究人員能以化學氣相沉積法(CVD)在銅箔上生長單原子石墨烯,旋轉塗佈上高分子EVA,形成柔軟的轉印支撐層,再將此轉印至目標基板後移除EVA,完成石墨烯與矽之蕭基元件。

這項研究最具突破之處在於利用實驗室生長的單原子層石墨烯材料,結合具有奈米結構的矽形成基於3D石墨烯/矽的蕭基界面,以實現高效率的太陽能產氫。此特殊結構大幅降低了矽的反射率,能夠提高太陽光吸收效率達20%,從而增加其產氫效能。

未來,研究團隊期望在此平台基礎上進一步研發,除了傳統的白金觸媒,嘗試採用其他觸媒的可能性。此外,除了製氫以外,研究人員也期望透過這一平台利用超薄原子層材料吸收太陽光的優點,尋找如何讓CO2轉換成能源的方法。

這項主題為‘Creation of three-dimensional textured graphene/Si Schottky junction photocathode for enhanced photoelectrochemical efficiency and stability’的研究已經發表在去年的《先進材料》(Advanced Materials)期刊,並獲選為該期封底。

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