有鑑於未來環境惡化與潔淨能源需求大增，在科技為解決人類自身問題與提升環境品質的信念下，本研究室
致力於各種能源材料之開發，應用於光電化學反應與太陽能電池，是一項前瞻且有效太陽能的應用技術，並具有
溫室效應氣體減量之潛力， 近五年主要研究成果如下所示:
A、n型I-III-VI系列光觸媒薄膜成長與性質分析
光電化學反應技術為極具發展潛力之能源轉換技術，應用太陽能進行光分解水製氫，使太陽能以化學能的形式
儲存，是一項前瞻且有效之太陽能應用技術，並具有溫室效應氣體減量之潛力，若發展成為高轉化效率之技術，然而，觸
媒之性能提升與光化學元件設計，將是本技術之商業化關鍵，因此，我們投入相關材料之薄膜成長技術，應用電漿濺鍍法
與非真空之溶液法進行薄膜成長技術，主要研究方向為I-III-VI族系列薄膜如AgIn5S8、CuInS2系列等硫化物光觸媒薄膜
成長，分別進行結構、光電性質分析與光電流效率測量，用於探討不同結構之光觸媒性質與光電流之影響，可作為未來反
應器設計之重要參考依據。我們採用電漿反應性濺鍍法成長Ag-In-Zn-S多晶型光觸媒薄膜;
其主要研究成果如 Figure 1 所示:
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(a) (b) (c) (d)
Figure 1、反應性電漿濺鍍光觸媒薄膜成長結果。(a) 薄膜成長照片圖、(b)不同參數之XRD分析圖、(c)SEM表面照片圖、(d)不
同參數光觸媒薄膜能隙分析圖。
除高品質薄膜成長技術外，低價格、程序簡單與省能源製程，亦為我們努力之目標，因此，我們亦採用化學薄膜成長法成長
Ag-In-S系列光觸媒薄膜，採用非真空之化學浴薄膜成長法(Chemical Bath Deposition, CBD)，期望探討反應前驅物對薄
膜成長之影響，並可作為未來I-III-VI族光催化反應製氫與太陽能電池之應用基礎，其部份研究結果如Figure 2所示:
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(a) (b) (c) (d)
Figure 2、化學法光觸媒薄膜成長結果。(a) 薄膜成長照片圖、(b)不同參數之XRD分析圖、(c)SEM表面照片圖、(d)不同參數
光觸媒薄膜能隙分析圖。
其光電效應之分析圖如Figure 3所示:
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Figure 3、不同參數之試片光電流密度-電壓曲線量測圖。
除n型Ag-In-S觸媒薄膜外，我們亦採用化學水浴法進行Sb doped AgIn5S8與Ni doped ZnS光觸媒薄膜與光電極製備，期
望能夠了解過渡金屬摻雜量對光觸媒薄膜性質與光電反應特性之影響，
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(a) (b)
Figure 4、化學浴成長 Sb doped AgIn5S8 光觸媒薄膜結果。(a)不同參數之XRD分析圖、(b)SEM表面照片圖
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(a) (b)
Figure 5、化學浴法Sb doped AgIn5S8光觸媒薄膜之光電性質。(a) 試片平帶電位分析圖 (b) 不同參數之試片光電流密
度-電壓曲線量測圖。
由Figure 4與Figure 5結果可知，摻雜Sb可以造成AgIn5S8結晶變弱，結晶由塊狀顆粒轉化成較無晶界之結構，電性測量
方面，隨Sb加入量增多，平帶電位斜率可以由+1轉換成-1，顯示試片由n型半導體轉變成p型半導體薄膜，光電流-電壓量
測方面，光電流光敏處在負電壓部分，顯示此一半導體薄膜為p型半導體，施加偏壓在-3.5V下，最大光電流可達-6mA/cm2，
相關複合薄膜成長結果已經投發表於國際期刊 。
B、反應器熱力學分析與光電流效能研究
電解質之選用、光電化學反應操作參數，與反應器設計為光電化學反應之另一關鍵，由熱力學理論分析計算，搭配光
觸媒材料之實驗與性質分析，可作為篩選光觸媒材料或進行反應參數最佳化之分析，可減少實驗次數與藥品之浪費或作為反
應器設計放大之重要參考，有鑑於此，我們投入光電化學反應之理論模式分析，篩選可能之研究觸媒或操作參數，並搭配不
同電解質與光電流之實驗驗證，以驗證理論分析結果之準確性，在水分解反應上，反應式可分為氧化與還原半反應:
2H2O(l)
«O2
+4H+ + 4e -
4H+ 4e - «2H2
其中E為半反應之反應電位，T為反應溫度，a稱為活性(activity)，為溫度、壓力、反應電解質之函數，根據熱力學要求，
所選用之光觸媒材料，導帶電位需高於還原反應電位，價帶電位需低於氧化反應電位，若能透過實驗獲知光觸媒之導帶與價帶
位置，可獲知光觸媒是否具有能力進行水分解反應或針對上述反應調整電解質之性質，以求滿足光觸媒之基本熱力學需求，因
此，我們應用恆電位儀搭配交流阻抗模組，進行不同pH值電解質量測，以求得光觸媒之平帶電位，由於平帶電位非常接近半導
體之費米能階，因此可以推算半導體之導帶價帶位置，並篩選可能之反應電解質，以進行光電流測量與效率分析，Figure 7為我
們初步之分析結果:
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(a) (b) (c)
Figure 7、電解質分析與反應器設計之結果。(a)AgInZnS光觸媒薄膜Mott-Schottky 量測圖、(b)50x50cm2斜板式反應器溫度
場模擬圖、(c)理想狀態熱力學電解質分析圖。
由Figure 7可知，採用電漿法製備之AgInZnS光觸媒薄膜，平帶電位為-1.05V(vs. Ag/AgCl電極)，與電解質之pH值無關，由平
帶電位可以推算出光觸媒薄膜導帶與價帶位置，並透過反應器流場分析，在1000 W/m2照射量下，入口流速0.001 m/s時的水
表面溫度變化，最高溫在反應器下方，約95°C，我們採用平均溫度70℃進行計算，應用熱力學理論模式，並假設所有狀態皆為理
想狀況下，可以獲知反應溶液pH值控制於8~13之間，有機會發生水分解反應，而如果將光電極放置於pH=14之水溶液中，而另
一電極至於pH=0之水溶液中，由於觸媒之導帶價帶與氧化還原反應電位可以有最大間隔，其光電流可望加大，此為濃差反應器之
設計原理。本技術已經獲得中華民國發明專利[9]，在光觸媒量子效率實驗驗證上，如Figure 8所示:
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(a) (b)
Figure 8、AgInZnS光觸媒光電流與量子效率分析圖。 (a)面積1cm2，pH=10之光觸媒薄膜光電流對施加偏壓圖、(b)電漿法光觸
媒薄膜量子效率與入射光波長圖。
C、錯合物對於Ag-In-S系列光學薄膜之效應探討:
由於化學浴薄膜成長技術中，反應溶液中之錯合物對於薄膜成長與性質具有重要之影響，我們投入探討錯合物組成之比例對
於材料性質之研究，並藉此了解錯合物之存在對於薄膜成長之影響。所成長觸媒薄膜，並於450℃下進行燒結。其部分實驗結果與
光電特性如下所示:
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(a) (b)
Figure 9、溶液中錯合物對於光敏性薄膜成長之影響。 (a)不同參數下之薄膜XRD分析圖、(b)錯合物對於薄膜組成影響之分析圖。
透過Figure 9結果可知，所製備之光電極材料為立方型(Cubic) Ag-In-S phase之光電薄膜，隨錯合劑中檸檬酸鈉之比例增加，薄
膜之結構會改變，轉變為富In (In rich) 之Ag-In-S化合物之材料，隨著材料之In之含量增加，使得材料內部產生缺陷，造成XRD
分析圖中之繞射強度下降。試片材料中之能帶差(Eg) 隨薄膜中In之含量增加而增加，此乃因為錯合物中之錯合劑之作用，其結果
如圖10(a)所示，而光敏效應與錯合物之比例關係如圖10(b)所示，光敏性效應在錯合劑檸檬酸鈉:三乙醇銨之比例為1:1時，具有最
大光敏性效應，我們應用錯合物化學之理論，進一步探討錯合劑對於各離子間之作用力與薄膜成長之影響，並提出一可能之薄膜成
長機制，加以說明對於光電效應之影響。本項研究共發表於2篇於國際期刊上[10-11]。
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(a) (b)
Figure 10、(a)不同參數之試片能帶圖、(b)材料之光電流-施加偏壓分析圖。
D、硒化物真空與非真空製程開發
本團隊同時進行硒化物真空與非真空製備技術，用以進行光化學反應與薄膜太陽能電池技術開發，應用濺鍍後硒化之方法
製備AgInSe2，所製備之光電極材料，於施加 +1.0V vs. Ag/AgCl偏壓下，最高可獲得光敏電流達30mA/cm2，此數據為目前
文獻中最高值。
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Figure11、濺鍍後硒化之方法製備AgInSe2照光前後之電流-電壓曲線圖
同時也進行水熱反應製備CuInGaSe2粉體，用以進行相關非真空法製備CIGS光電池技術開發，於6atm，150℃之水熱反應下，可
獲得高純度的CIGS粉體，粉體粒徑可小於50nm以下。
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Figure 12、水熱反應CIGS粉體合成結果。(a)粉體 XRD分析圖、(b)TEM圖
