陳俊維教授團隊研究成果 利用原子層材料 以太陽光產生潔淨氫能

材料系與臺大新穎材料原子級科學研究中心(Atomic Initiative for New Materials, NTU) 陳俊維教授團隊，最近在潔淨能源「利用太陽能轉換氫能」的研究上，有重大突破。潔淨能源的研究是近年來科學界最重要的問題，雖然太陽能被視為最重要的再生能源之一，且目前已逐漸被廣泛應用於日常生活，然而其最大的瓶頸，是太陽能無法被儲存，以至於在沒有太陽光照射時，就無法使用。因此科學家致力研究，如何有效將太陽能轉換為「燃料(fuel)」，利於儲存與運輸，並且在任何時候皆可被使用。因此，有效利用太陽能直接將水分解，產生潔淨能源「氫氣」，是目前科學界重要的研究方向。目前，最常用的光分解產氫的材料為大家熟悉的矽材，矽有其低能隙可涵蓋很廣的太陽光譜的吸收與市場上容易取得的優點。然而利用矽來做光分解產氫，其最大問題為其在電解液中的不穩定性與高反射率。

陳教授團隊利用原子層材料石墨烯(Graphene)，與矽形成所謂蕭基界面(Schottky Junction)，有效將太陽能成功轉換成氫能。石墨烯是自然界目前已知最薄的材料，只有單原子的厚度，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，並於2010年獲頒諾貝爾物理獎。

本次研究最大的突破，為首次將原子層材料與奈米結構的矽形成具有三維的石墨烯/矽蕭基界面應用於太陽能產氫，此結構不僅大幅增加了光吸收效率高達20%，增加其產氫效能。並且由於石墨烯是單原子層之碳材，在酸或鹼的電解液中相當穩定，能大幅改善以矽來做光分解產氫之穩定度問題。此新型的以原子層材料與半導體形成三維界面的突破，成為未來在太陽能產氫的應用上一個新的平台。此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。

本研究主要是由科技部尖端晶體材料計畫與教育部高教深耕計畫之臺大新穎材料原子級科學研究中心(AI-Mat)所支持。

參考資料: “Creation of three-dimensional textured graphene/Si Schottky junction photocathode for enhanced photoelectrochemical efficiency and stability”, Advanced Energy Materials, 1901022, (2019) (https://doi.org/10.1002/aenm.201970115)