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有機太陽能電池也想穿金戴銀

吳京
・2014/10/27 ・2074字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 583 ・九年級

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對一般人而言,只要有錢,想要穿金戴銀就不是問題,問題是沒錢。但有機太陽能電池似乎是命格不好,即便有錢,也難以穿金戴銀:他只要用了金或銀當電極,光電轉換效率就欠佳,每每只能對著無機的同伴(矽晶太陽能電池一般以銀當電極),唱著「金包銀」的苦曲。

有機太陽能電池的命格哪裡不好?這種命格要如何改運?本館獨家結合了中國傳統易經與西洋的巴斯卡三角形理論的命理推算法可為您解答,全套八DVD售價99元,前十名call in 訂購的朋友,我們還送市價9999元的聖祖加持開運招財航太合金原子筆折價卷乙張哦!(誤)

想要跟我一樣穿金戴銀,先來改改運吧!Credit: steen 粘 via Flickr
想要跟我一樣穿金戴銀,先來改改運吧!Credit: steen 粘 via Flickr

金和銀,從古至今都是貴重金屬的代表,並做為貨幣、或是發行貨幣的擔保。這一方面是因為他們的稀有性,另一方面在於他們穩定不易變質。之所以如此,則歸功於他們有很高的功函數(work function),高功函數的物質不易被氧化。

功函數是筆者認為取名最失敗的科學名詞之一,他的定義為:「要使一粒電子立即從固體表面中逸出,所必須提供的最小能量」,這個定義與功或函數都沒有太大的關係。然而,這是了解電池運作所需知道的一個概念。

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除了不易被氧化,這些貴重金屬也有較高的導電率,故成為無機(矽晶、Ⅲ-V族等)太陽能電池中廣受歡迎的電極材料。只不過一來到有機太陽能電池的世界,金、銀電極往往就不合用了。有機太陽能電池一般是以便宜的鋁當電極,鋁的功函數較低,容易被氧化,若沒有理想的封裝,太陽能電池在大氣環境下效率很快就會衰降。

為何不跟無機太陽能電池一樣選用功函數較高的金屬?是因為太陽能電池陰極和陽極間功函數的落差越大,其輸出的電壓及電流(short circuit current)的表現會越好;有機太陽能電池常選用既能透光又能導電的金屬氧化物來當做一端電極,金屬氧化物的功函數較高,傳統上做為陽極,在陰極部份只好選用功函數低的金屬囉。

若以水位比電位,則電極就像是水道最兩端的水壩。無機太陽能電池之半導體材料的p-n介面就像一個滑水道,電流如水流可以順暢地下滑,將位能轉成動能(電動勢)而衝過水壩;用於有機太陽能電池光電反應層之材料為共軛聚合物(conjugated polymer),其能階較平緩,因此需要設計些機關來導出電流。一般的常用的方法是在光反應層和電極之間再加入中介能階的緩衝層,把有機太陽能電池的水道改良成如同巴拿馬運河般多層階梯狀,電子才能逐步流出,因此電極需要選用契合各層能階的材料,亦迫使有機太陽能電池使用低功函數的金屬當陰極。

無機太陽能電池內的能階像滑水道。 圖片來源:wikipedia
無機太陽能電池內的能階像滑水道。
圖片來源:wikipedia
有機太陽能電池內的能階像階梯。
有機太陽能電池內的能階像階梯。

研究者們對此並不滿意,他們想直接把水壩降低,所採用的方式是在陰極與光電反應層之間再增加一層介面偶極(interfacial dipole)材料。電偶極者,正負電荷成對相依者也。正負電荷成對,之間就會有電位差,經由此電位差的調整,有機太陽能電池內的電子會把明明是高功函數的電極誤認為是低功函數,就給他這麼騎上去,嗯,我是指電流就可以順順地流過去了。

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但故事並有那麼結束,一個問題的解決通常是另一個問題的開始,早期發展的介面偶極材料中(所謂的早期是2012年),有的電阻值較高,有的並沒有那容易就吸附在光電反應層上,或必需使用蒸鍍方式來成膜,如此種種提高了的製作的成本。

最近麻州大學的研究團隊合成了新的材料來當做中介層,一舉解決了上述的問題,研究成果也被發表於極具盛名的期刊「science」上。他們分別製作了以鋁(功函數低)和銅、銀、金(功函數高)來當陰極的有機太陽能電池,在沒有中介層的狀況下,高功函數陰極的樣本光電轉換效率只有2~3%,而增加了中介層後,光電轉換效率可大幅提高到8~9%。不但如此,這種合成材對光電反應層的吸附力高,可以塗佈方式成膜,這對產品是否能量產,是一個關鍵因素。

到底是什麼合成材料那麼厲害?原來研究團隊是將兩性離子(Zwitterion)接合在富勒烯(Fullerene,即C60)分子上。兩性離子,故名思義,是具有成對想依正負電荷的化合物;而富勒烯則是一種導電性佳且「親近」共軛聚合物的分子。如此可降低功函數並兼顧吸附力,雙管齊下,效果斐然!

現在只剩下一個問題了:研究團隊是如何把兩種化合物接合在一起呢?嘿嘿,這大概屬於商業機密無法外傳吧。不過各位朋友如果訂購本館結合了中國傳統易經與西洋的巴斯卡三角形理論的命理DVD,裡面或許會有答案

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註:其實從2006年開始,就有許多研究團隊把功函數高的金屬拿來當陽極,製作出被稱做「反式」的有機太陽能電池。所以說有機太陽能電池早就在穿金戴銀啦,只是以前必需倒立著穿金戴銀,現在總算可以正立了。

參考資料:

  1. 1. A more efficient, lightweight and low-cost organic solar cell: Researchers broke the ‘electrode barrier’.Science Daily [18/09/2014]
  2. 2. Zachariah A. Page et al. (2014) “Fulleropyrrolidine interlayers: Tailoring electrodes to raise organic solar cell efficiency“, Science,Vol. 346 no. 6208 pp. 441-444. DOI: 10.1126/science.1255826

本文轉載自作者部落格吳京的量子咖啡館

文章難易度
吳京
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正職是二個娃兒的奶爸,副業為部落格《吳京的量子咖啡館》之館主。為人雜學而無術、滑稽而多辯,喜讀科學文章,再用自認有趣的方式轉述,企圖塑造博學又詼諧的假象。被吐嘈時會辯稱:「不是我冷,是你們不懂我的幽默。」

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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化學家的分子車輪:富勒烯(巴克球)──《改變世界的碳元素》
PanSci_96
・2020/12/06 ・2299字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 616 ・十年級

化學家無不有著「想要製作極小機械」的願望。說到極小的機械,那就是僅由 1 個分子作成的機械,世界上不存在比這更小的機械。「這有可能實現嗎?」雖然有些人會抱持懷疑,但在 8-3 出現的分子夾,就算不能說是「機械」,也可作為「工具」。

既然如此,何不索性用 1 個分子組成汽車?基於此概念作成的就是單分子汽車。是不是非常符合碳元素王國的國王「專車」呢?

單分子單輪車

一開始便想要用分子製作「汽車」,門檻好像有點過高,所以一步步按照單輪車、雙輪車的順序來嘗試吧。首先,以一個分子組成一個輪子的汽車,能夠做出單分子單輪車嗎?

實際上化學家已經做出來了。雖然外觀跟常見的單輪車不同,但馬戲團小丑踩踏的球,也可說是一種單輪車?如此想來,可以使用前面 2-3 所說明的球狀分子,把 C60 富勒烯當作球本身,這樣便可製出單分子單輪車。

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單分子雙輪車

接著是單分子雙輪車。這個也很簡單,只要將 2 個富勒烯與直線狀的分子連接就行了,可以利用直線狀分子乙炔 HC≡CH。如此一來,也可製作出單分子雙輪車來。

用一個富勒烯製作單分子單輪車。以直線狀分子乙炔 HC≡CH 連接兩個富勒烯,可製成單分子雙輪車。圖/《改變世界的碳元素》

單分子三輪車

如下圖所示,也可製作出單分子三輪車來,但這跟現實中的三輪車有些不同,3 個「車輪(富勒烯)」鍵結成放射狀。結果,這台三輪車沒辦法向一定方向前進,僅能在固定位置旋轉。

以三鍵連接 3 個富勒烯,勉強可製成單分子三輪車。圖/《改變世界的碳元素》

化學家利用這個富勒烯單分子三輪車,置於黃金的晶體上,觀測到的動作如同預想,單分子三輪車僅在原地不停旋轉。

繼續研究下去。為什麼這台三輪車會持續在固定位置旋轉呢?如果此分子的動作僅是熱振動,或者在黃金晶體表面滑動,應該不會產生旋轉運動。如同預期,「旋轉運動」這件事證明了,作為車輪的富勒烯確實發揮車輪的功能,產生旋轉運動。這在化學上可說是意義非凡。

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我們知道人們「需要讚美」,化學也是如此。在發表實驗結果的時候,重要的是最大限度解讀結果中的意義,「讚美」實驗結果。如此一來,即使實驗結果沒有震驚全世界,也是對研究人員的一種肯定。「雖然是項無趣的實驗結果,還請容許我在此向各位報告」若是這麼說,就太辜負研究人員的努力了。

單分子四輪車

右頁上圖是單分子四輪車,目前已經實際合成出來了。這個分子有一個「工」字型底盤,上面帶有4個輪子,沒有少掉任何部分,是完全的單一分子。右頁下圖是該分子置於黃金晶體上的移動軌跡。重點在於,分子僅沿著短軸的方向移動,若要改變行進方向,此時分子會自動旋轉。這表示車輪的確有轉動前進。

以三鍵連接 4 個富勒烯,可製成單分子四輪車。圖/《改變世界的碳元素》
分子會旋轉,能夠改變行進方向。改編自 Y.Shirai, A.J.Osgood, Y.Zhao, K.F.Kelly, J.M.Tour, Nano Lett, 5, 2330 (2005)。圖/《改變世界的碳元素》

自力移動的「單分子汽車」

遺憾的是,以上的「汽車」皆沒有引擎,沒辦法獨立移動,需要有外物拉引才能移動,感覺像是令人懷念的人力車。

那麼,我們是否無法製造自發性移動的分子汽車?不,自己發動、自力移動的單分子機械已經製造出來了。

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2017年,舉辦了集結世界各地單分子汽車的國際賽事。會場設於法國土魯斯(Toulouse),稱為「奈米車賽」(Nano Car Race),共有 6 台車報名競賽,其中也有來自日本的分子車。

各位讀者覺得如何呢?雖然一時可能覺得難以置信,但這絕對不是在開玩笑。碳元素王國如此進步,已經進步到無論想要製作什麼樣的分子都不是問題。

然而,如下圖的簡單四角形分子環丁二烯(cyclobutadiene),至今卻沒有辦法合成。

四角形分子的環丁二烯,過去多次嘗試合成皆失敗。現在已經證明,這個分子的集合體,理論上無法合成。圖/《改變世界的碳元素》

這並不是因為化學不發達,而是根據前面的「前緣軌域理論」(參見 2-5),理論上無法做到。然而,這僅只是「分子的集合體不可能合成」,但若在周圍沒有其他東西,假設「宇宙空間中僅有這 1 個分子」的狀態,已經證實是有可能製作出來。實際上,學者已在實驗的狀態下成功合成了環丁二烯分子。能夠在理論上證明這件事,也是碳元素王國實力的一環。

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──本文摘自《改變世界的碳元素》,世茂出版,2020 年 09 月 30 日
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PanSci_96
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就你最特別:富勒烯,發現!|科學史上的今天:11/14
張瑞棋_96
・2015/11/14 ・958字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 561 ・九年級

我們都知道黑黝黝的石墨與晶瑩剔透的鑽石其實都是由碳元素所構成,差別只在於結構不同。石墨中的碳原子是像蜂巢狀那樣六角形排列的平面結構,鑽石內部的碳原子是結構緊密的正四面體。長久以來,科學家相信單一碳元素形成的結構就這兩種,然而,1985 年 11 月 14 日,科學期刊《自然》上的一篇論文卻推翻了這看法。

富勒烯分子結構模型。圖片來源:UCL Mathematical and Physical Sciences@wikimedia

這篇論文的作者是英國化學家克羅托(Harold W. Kroto, 1939- )、美國化學家斯莫利(Richard E. Smalley, 1943-2005)、柯爾(Robert F. Curl, 1933- )及另外二人。克羅托是以訪問學者的身份來到斯莫利的實驗室,原本是要研究碳鏈分子的形成機制。1985 年 9 月 4 日,他們用雷射射向氦氣中的石墨,再用質譜儀檢測汽化蒸發的碳分子,結果原子量為 720 的信號異常強烈,他們才赫然發現自己製造出一種前所未見的碳原子結構──由 60 個碳原子組成的C60

C60 的形狀就跟現代足球一樣,是由 12 個正五邊形 20 個正六邊形構成的 32 面體,碳原子就位於 60 個頂點。因為這形狀類似美國建築師富勒(Buckminster Fuller)於 1967 年在蒙特婁世界博覽會,首創的球形穹頂建築,因此他們把 C60 命名為 ”Buckminster fullerene”,簡稱「富勒烯」。

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他們的論文發表後雖然已起各界注目,但普遍認為這只是實驗室中在特殊條件下才有的產物,意義不大。然而 1992 年,就在俄羅斯的地底礦石中發現富勒烯;2010 年,史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)又在六千五百光年外的星塵中發現 C60 的特殊信號,證實了自然界也存在富勒烯。

克羅托、斯莫利、柯爾三人於1 996 年共同獲頒諾貝爾化學獎。其實早在 1980 年,日本的飯島澄男用電子顯微鏡分析碳膜時,就觀察到富勒烯的洋蔥狀結構,1991 年他又發現了奈米碳管,可惜與諾貝爾獎無緣。後來科學家也又陸續發現由更多的碳原子組成的球狀、橢圓體、管狀等各種不同立體結構的富勒烯,而其中球狀的富勒烯也簡稱為「巴克球」。

富勒烯具有獨特的化學和物理性質,例如奈米碳管的強度比鋼高一百倍,密度卻只有後者的 1/6,可作為太空電梯的纜繩。隨著奈米科技日漸成熟,可以預見各種富勒烯將在材料、光電、及醫學等不同領域,展現以往難以想像的發明與應用。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。