面對全球暖化以及石化能源造成的污染問題,找出新的替代能源是目前全世界最重要的研究課題之一,然而在積極尋求能源多元化的同時,臺灣要如何發展出好的替代能源,亦是備受關注的議題。
突破瓶頸,解決問題:利用光電化學製氫
在目前已知的替代能源當中,便有像是太陽能、風能與地熱等,來自大自然、取之不盡,用之不竭的再生能源。
其中,太陽能雖然被視為最重要的再生能源之一,甚至已被逐漸廣泛應用於日常生活,但它仍舊面臨一個巨大的瓶頸,也就是太陽能無法被儲存,亦即在沒有太陽光照射時,就無法使用。因此科學家致力於有效將太陽能轉換為「燃料 (fuel)」的研究,如此以能夠進行儲存與運輸,並且在任何時候皆可被使用。
與此同時,科學界目前全力發展潔淨能源之一「氫能」,雖然其燃料電池在運作中能夠達到無污染、無廢氣,但在氫氣的製備上具有需要大量電力的成本問題,故科學家著眼於此,再與太陽能無法儲存的瓶頸串連,便成為如今「如何有效地利用太陽能直接將水分解以產生氫氣」的重要研究方向。
就現在而言,最常用於太陽光分解產氫的材料為大家所熟悉的矽材,因為矽材的低能隙可以涵蓋很廣的太陽光譜的吸收,而且也具有容易於市場上取得的優點。然而利用矽來做光分解產氫,也存在著不利的因素,像是矽基板的高反射率與矽在電解液中的不穩定性。
反射率即反映了太陽能被浪費的程度,若有30%的反射率則有30%的太陽能被浪費;而不穩定性則是因為矽會與強酸或強鹼反應,以至於被電解液腐蝕。
由臺灣大學陳俊維教授、臺灣科技大學黃炳照教授與東海大學王迪彥教授組成的跨校「新世代能源研究團隊」,在科技部計畫的長期支持下,利用實驗室所成長的單原子層材料石墨烯 (Graphene),與具有奈米結構的矽形成具有三維的石墨烯/矽的蕭基界面 (Schottky junction)註,由於這樣的特殊結構大幅降低了矽的反射率,增加其太陽光吸收效率高達 20%,因此有效將太陽能成功轉換,增加其產氫效能。
石墨烯是自然界目前已知最薄的材料,只有單原子之碳材,其厚度 ~0.34 奈米,約只有頭髮直徑的十萬分之一的厚度。自從其 2004 年被發現之後,已成為當今相當重要的材料之一,並開啟了二維原子層材料的研究領域,此重要發現之科學家,也於 2010 年獲頒諾貝爾物理獎。
此外,雖然只有單原子層之厚度,但石墨烯材料在不論是酸或是鹼的電解液中皆具有非常好的穩定性,能夠大幅改善過去以矽來做光分解產氫時所遭遇的穩定度問題,在矽表面形成一個良好的保護層。
這項以原子層材料與半導體形成新型的潔淨能源元件,將會成為未來在太陽能產氫的應用上一個新的平臺。而陳俊維教授團隊的傑出研究不僅順應國際綠能趨勢,也與政府力推的綠能政策相符,同時相當具有商業上的發展價值。
- 研究結果於日前登上能源研究頂尖期刊《Advanced Energy Materials》,並被獲選為當期之封底。發表論文:Creation of three-dimensional textured graphene/Si Schottky junction photocathode for enhanced photoelectrochemical efficiency and stability, Advanced Energy Materials, 1901022, (2019)
- 註:蕭基界面 (Schottky junction) 是指具有整流特性的金屬-半導體界面,利用此所產生蕭特基屏障 (Schottky barrier) 的二極體即為蕭特基二極體 (Schottky diode)。
資料來源:
- 科技部新聞稿:利用超薄之原子層材料,以太陽光產生潔淨氫能
- 維基百科:蕭特基能障、蕭特基二極體