結合超薄石墨烯層與矽材,台灣團隊研發出新型光電製氫技術

作者 | 發布日期 2020 年 02 月 12 日 17:14 | 分類 光電科技 , 尖端科技 , 材料 follow us in feedly


氫能是極具潛力的乾淨再生能源,過程不排放任何廢氣,只是礙於電力成本過高,至今都無法躍上主流。最近由台灣大學、台灣科技大學、東海大學科學家組成的跨校團隊,研發出以超薄石墨烯與矽基材料結合的新型光電化學製氫技術,可以有效將太陽能轉換為氫能,該篇研究並獲選為國際期刊封底展示。

目前,全世界重點發展的再生能源主要有太陽能、風能、地熱能、生質能,其中太陽能最受矚目且已廣泛應用於民生日常中,然而太陽能的最大瓶頸依然未有效克服,第一是儲存、其次是運輸。

於是科學家換個方向,試著將太陽能轉換為燃料以利儲存及運輸,其中以氫能為燃料的電池在運作過程中,完全不會排放任何廢氣(比如二氧化碳)、僅產生純水,可惜目前氫氣的製備(電解水產氫)需耗用大量電力,因此儘管號稱乾淨能源,卻礙於成本高昂始終無法規模化。

於是,近幾年利用太陽能來電解水的光電產氫法成為科學界當今研究方向,目前最常見的光電產氫材料為便宜又好取得的矽。不過,以矽來分解光產氫也有個大問題:矽的抗腐蝕性低,故在電解液中表現不穩定,加上矽基板具高反射率,會減少太陽光吸收。

為此,由台灣大學材料科學教授陳俊維,台灣科技大學化工系教授黃炳照、東海大學奈米科技研究中心助理教授王迪彥等人組成的跨校團隊,利用超薄石墨烯(Graphene)層與矽形成蕭基界面(Schottky Junction),帶來一種高效轉換太陽能為氫能的新方法。

▲ 石墨烯薄層與矽材結合。(Source:擷自團隊 PPT)

首先,團隊製造出超薄石墨烯層來當作矽材保護層,前者具三大優點:高載子遷移率(電荷傳輸快)、高透明度(吸收更多太陽光)、高抗酸鹼腐蝕,然而我們知道矽表層凹凸不平、有如一座座「金字塔」,如何完美疊合另一種材料在矽之上乃一大技術挑戰。

團隊利用新開發的方法:軟性高分子(EVA)轉印石墨烯至奈米結構基板,成功製造出石墨烯與矽的蕭基界面,能使載子有效分離、增加太陽光吸收效率高達 20%、大幅降低矽反射率,進而增加產氫效能。

隨著更有效、更節省成本的光電產氫技術趨向成熟,也許更有助於促進潔淨氫能的普及。團隊這篇新論文發表在《Advanced Energy Materials》,且獲選為當期封底展示。

▲ 台灣團隊研究獲選為當期期刊的封底展示。(Source:論文

(首圖為研究團隊合影,來源:科技部)

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