文/郭家銘(時任科學月刊主編)
台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,除了增進陽光吸收效率,也克服矽不耐酸鹼的問題。研究發表於近期《先進能源材料》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。
粗糙矽表面 有利陽光吸收率
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%,因此須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,因此還須解決矽不耐酸鹼的問題。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讓石墨烯大面積成長後再與矽結合,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。
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10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。