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2020-03-13石墨烯與矽晶材料結合 太陽光產氫效率提升
459 期
Author 作者
郭家銘／本刊主編。
臺灣大學材料學系教授陳俊維的研究團隊，日前將新一代的原子層石墨烯與矽晶材料結合，開發出新的太陽能產氫平台，除增進陽光吸收效率，也克服矽不耐酸鹼的問題。研究發表於近期《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）期刊，並被選為封底故事。
全球都在追求多元的能源替代方案，其中包含太陽能及氫能。不過，由於太陽能無法被儲存或傳輸，使得應用相當受限；而氫能在商業化也面臨製備成本高昂、電力消耗較大的挑戰。因此，若能把太陽能轉換為氫能，便可一次克服這兩個困難。
利用粗糙矽表面 增進陽光吸收效率
氫能的產生方式主要為電解水的過程，太陽光與觸媒取代電能來完成這個任務。此次研究以矽作為吸收太陽光的材料，唯表面平坦的矽對陽光的反射率高達40％，因此需在基板上製作抗反射層，才能更有效率地吸收太陽光。
此外，由於這項材料會放在具酸鹼度及腐蝕性的電解液裡，因此還需解決矽不耐酸鹼的問題。過去科學家多以原子層沉積（atomic layer deposition, ALD）法在表面鍍上一層的氧化物以做表面改質，不過此方法的成本較高，恐不符合效益。
於是，研究團隊選定具抗腐蝕及抗酸鹼特性，電子傳輸效能也相當好的石墨烯作為原子層材料。透過化學氣相沉積法（chemical vapor deposition, CVD）讓石墨烯大面積成長後再與矽結合，便可形成蕭特基接面（Schottky junction），能有效分離矽吸收太陽光後產生的電子與電洞，進而製造氫氣。
石墨烯轉印技術的突破
而此研究最重要的突破，便是將石墨烯轉印到表面粗糙且抗反射的矽板上。傳統轉印法需透過聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate, PMMA）將石墨烯置於粗糙表面，但因PMMA為較硬的高分子，所轉印出來的石墨烯會浮在表面，黏貼成效並不佳。後來，陳俊維的學生在某次心血來潮下，才利用較軟的高分子將石墨烯轉印到十塊錢硬幣上，不僅黏貼效果好，也讓後續產氫的工作得以執行。
石墨烯的高穩定度解決了過去太陽能產氫效能低落的問題，且不需使用昂貴的ALD技術，經規模化設計後頗具商業發展價值。而陳俊維也提到，除了傳統的鉑觸媒外，其它觸媒仍待開發，盼完整的太陽能產氫平台能盡快問世、以解地球能源危機。