化學/Chemistry
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染料敏化太陽能電池（Dye-sensitized solar cell，DSSC）由於製備成本便宜、元件技術穩定、光電轉換效能佳等特性，受到各界專家學者的重視，積極開發先進的功能性材料，使得DSSC之光電轉換效率由1991年的7%達到現今的14.3%，在微弱室內光源下更可高達28%，已達到能夠商業化之標準。染敏電池的長期穩定性亦有相當優異的表現，在不同的光照強度與角度下，皆能穩定且生生不息的產生潔淨的電能，透過染敏電池與「物聯網」之結合，將有助於達成低碳節能的目標。本章將針對DSSC中的各部分組成，包含半導體奈米材料、光敏染料、電解質、觸媒對電極等四大部份，分別探討其相關材料之合成設計與發展歷程。
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近年鈣鈦礦太陽能電池蓬勃發展，憑藉其低製作成本、高效率等顯著優點，迅速成為新興太陽能電池領域的研究重點。其中又以正結構（n-i-p）鈣鈦礦太陽能電池具備較高的光電轉換效率，因此本文將針對此系統做一延伸說明，並討論鈣鈦礦太陽能電池元件常見的電流－電壓（J-V）遲滯現象的原因，以及藉由鈣鈦礦介面處理與2維／3維鈣鈦礦混合做法，對於鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換性能與元件穩定性提升也將一併介紹。
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近年來有機－無機鹵化物鈣鈦礦材料由於其優越之光電特性，在太陽能與發光二極體等領域上蓬勃發展。然而其穩定性不佳之因素，限制了相關元件之可靠性及量產性。本文介紹二維鈣鈦礦材料在太陽能電池上之發展及演進，並從穩定性影響因素出發，討論如何改善二維鈣鈦礦材料在太陽能電池穩定性及目前仍面臨之挑戰，並比較在一般環境製作高效率及穩定鈣鈦礦電池之不同架構。
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發展再生能源是世界之趨勢，而薄膜太陽能電池為再生能源重點發展之一，其原理是利用光伏效應將光能轉化為電能。目前銅銦鎵硫硒Cu(In, Ga)(S, Se)_2(CIGSSe)與碲化鎘（CdTe）化合物半導體的薄膜太陽能電池最高能源傳換效率可大於20％，且由於這類薄膜材料光譜響應範圍較寬、吸收係數高，故對弱光的敏感度高，具有在弱光下發電的能力，所以其有效發電時間比矽晶電池長的多。但因為鎘（Cd）為有毒元素且銦（In）、鎵（Ga）、碲（Te）含量稀少，因此使其無法達到兆瓦級（terawatt）的全球功耗需求。因此發展廉價、大地含量豐富的薄膜太陽能電池材料得到了廣泛關注。而新一代金屬硫族化合物：銅鋅錫硫硒Cu_2ZnSn(Se, S)_4（CZTSSe）由於它的組成全是大地豐富、無毒的元素且同時具有與CIGSSe類似的光電特性，將是最具潛力的替代光伏能源材料之一。
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隨著物聯網與感測網路的崛起，個人化穿戴式電子感測系統可支援多元型態且兼具多功能技術已是大勢所趨。而隨著穿戴式電子裝置的功能性增多，傳統的電池供電方式已受到巨大挑戰。如何能提供有效且穩定的電源，使裝置與系統能具備高續航力也已受到許多矚目。奈米發電機，其藉由從環境中獲擷取機械能並轉換成電能，舉凡手肘伸展、膝蓋伸展、走路、拍打等人體動作，轉換的電能甚至可以直接驅動發光二極體。更重要的是，此類機械能來源是可持續不斷、無汙染，具備高度永續發展性，對於穿戴式電子系統之供電來源是一大福音。在本篇文章中，我們將介紹奈米發電機技術背景，包含材料選擇、元件設計、以及系統整合。而為了朝向更輕薄、可多元型態、高靈敏的未來目標，我們也將引入低維度奈米材料來對於未來發電機材料發展面相作探討，並了解其在實務應用面的潛力。
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傳統石化燃料日益枯竭與全球暖化及氣候變遷，使得再生能源備受重視。而電催化產氫具有對環境無害、可大規模生產以及氫的高能量密度等優點，是各國積極開發的主要再生能源之一。電催化材料以鉑為主的觸媒具有最好的催化效果，然而其在地球上的稀有性與貴重性，很難大規模的生產。因此，發展非貴重金屬的催化材料，且具有高效率的催化活性，則是一個重要的研究目標。本文首先介紹電催化產氫的機制以及電催化量測的重要因子，接著介紹合成電催化材料常用的方法-化學氣相沉積法與化學溶液法，最後回顧近年來在電催化產氫材料上的發展，主要分成四大部分：碳材、碳材－金屬複合物、金屬氧化物、金屬氫氧化物及金屬硫（硒）化物等。分別簡介各種電催化材料的優勢和改善電催化效率的方法，包含利用各種方法來增加表面積與活性面積、不同原子的摻雜改變材料的電子組態和結合兩種或兩種以上的電催化材料等。由於電催化產氫反應包含許多反應路徑，因此結合兩種或兩種以上的電催化材料可讓各電催化材料各司其職，是近年來發展高效率電催化材料的趨勢。另外，隨著理論計算的發展，可針對電催化材料進行各種產氫路徑的能量計算，亦可幫助高性能電催化材料的開發，以製備具經濟效益性的非貴重金屬催化材料。
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現今銅鋅錫硫（CZTS）四元材料被廣泛應用於太陽能電池吸收層及電極材料於能源儲存上。儘管被廣泛研究，但仍需要尋找更便宜，更容易的方法來獲得具有獨特結構以及更好的化學和物理穩定性的CZTS為我們主要研究目標。在這項研究中，首先我們優化溶劑熱合成法經由改變操作條件並觀察可變參數（例如：反應溫度，硫脲比例，反應時間及基板是否有修飾）。已知包括CZTS在內的大多數電極材料需具有更好的結晶度，反應穩定性和表面潤濕性於電解質系統。本研究引進奈米環境網結構於我們所開發的銅鋅錫硫薄膜電極中；當基板經由奈米環境網修飾後可使材料具有較佳的機械及化學穩定性，此概念來自於生態工法的修護方式。由於成長的奈米結構本身具有孔洞性，使其能有效釋放電解質於反應過程中所產生的應力；此外使用乙二醇作為我們合成系統的溶劑可使得表面具親水性，應用於電解液為極性溶劑有較佳的潤濕性。基於上述的結構優點，有助於CZTS奈米晶體用於電解質系統（如鋰離子電池）中，具有高比電容和出色的循環穩定性。第二部分將CZTS奈米牆應用於鋰離子電池中，突出了級聯機制，以改善過渡金屬硫化物陽極的鋰離子儲存性能。在400次循環後可達穩定電容量1400mAh g^(-1)於電流密度1000mAg^(-1)；此外，CZTS奈米牆的倍率性能也非常出色，可以在1分鐘內充電，並提供495 mAh g^(-1)的電容量。最後經由非臨場X射線衍射（XRD）和X射線光電子能譜（XPS）分析電極充電／放電時晶體結構演變以及氧化態的變化。多元素金屬硫屬元素化物結合、增強與基板黏合的晶種層和最適化的奈米結構設計，是為下一代儲能設備提供超高容量和穩定陽極材料的關鍵。
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超級電容器具有高功率密度的特性，可結合電池以達到高能量與功率密度的儲能裝置，因此發展超級電容器為解決目前嚴重能源短缺問題的必要方法之一。超級電容器的元件組成包含導電基材、活性材料與電解液，各部位對於超級電容器的儲能能力皆扮演重要角色。本文對於各部位元件的分類與特性作介紹，並且特別針對活性材料做更詳盡的討論，包含活性材料的分類、優缺點與過去文獻的相關研究。超級電容器的活性材料包含碳材、導電高分子與金屬化合物，此三類材料的導電度、孔隙度與氧化還原活性皆不同，結合不同類型材料製備複合物，為目前製備高效能活性材料的主要方式。超級電容器的未來發展將以結合軟性電子為主，因此使用軟性導電基材如碳布及具可撓曲且不洩漏特性的半固態與固態電解液為勢必發展的方向，而活性材料亦須具有撓曲狀態下的高儲電能力，如導電高分子，但其須結合其他類活性材料，以避免充放電過程中膨脹收縮造成穩定度下降。未來期盼能經由適合的元件選用與有效的活性材料搭配，製備高效能的超級電容器，應用於具有快速充放電需求的裝置。
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可充式鋁電池為新興的儲能電池，具有高充放、高穩定、環保及原料蘊含量豐富等優勢，可應用於大型儲能系統或汽機車啟動電瓶，被視為下世代取代鋰電池或鉛酸電池之儲能電池，但目前鋁電池製造成本過高，致使遲遲無法順利商業化，為加速鋁電池商品化，於本研究中我們合成低成本1－丁基－3－甲基咪唑氯鹽離子液體，搭配AlCl_3調配成電解液應用於高面密度天然石墨鋁電池，以恆流充放電方式進行不同C-rate充放電進而分析鋁電池之性能。研究結果顯示，以0.5C之充放電速率下具有較佳之電池表現，約72mAh／g，其循環壽命可達150圈（450小時）。