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染料敏化太陽能電池陽極含浸方法：壓力擺盪含浸法

本研究在染料敏化太陽能電池(Dye Sensitized Solar Cell, DSSC)製造過程的陽極色素增感(Dye-sensitized)階段，應用二氧化碳膨脹性流體(CO2-expanded Liquids, CXLs)、高壓氣體反溶劑(Compressed Gas Anti-solvent)以及壓力擺盪含浸(Pressure Swing Impregnation)和超臨界乾燥等多種方法，探討引入高壓二氧化碳提昇光敏染料含浸效果的可行性。 在本研究中特別提出一種壓力擺盪含浸法，用以製備染料敏化太陽能電池的陽極。該方法將高壓二氧化碳注入溶有光敏染料的溶液中，使該溶液形成二氧化碳膨脹性流體，降低該溶液之表面張力與黏度以利於光敏染料質傳擴散，接著再注入更高壓的二氧化碳，利用反溶劑效應將光敏染料自溶液中析出並沈積於陽極孔洞內，藉以提昇光電轉換效率。 實驗結果顯示與傳統的濕式含浸(Wet Impregnation)相比，採用壓力擺盪含浸法進行陽極色素增感，在900與1800 psi之間擺盪操作，含浸時間最短僅需原來的二分之一，光電轉換效率提昇比例最高更可達到百分之十以上。

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銀/三氧化二鐵觸媒合成及於易揮發性有機氣體全氧化之應用

摘要 本研究主要以基於銀及三氧化二鐵兩種物質下，利用不同方式製備銀／三氧化二鐵觸媒與其針對一些易揮發性有機物質（Volatile organic compound，VOC）的完全氧化反應作探討。 此處，銀的來源有二，一為為採用本實驗室所合成之奈米銀粒子，奈米銀粒子使用甲醛或硼氫化鈉作為還原劑還原硝酸銀，並添加入PVP（Polyvinylpyrrolidone）作為保護劑，可成功合成出粒徑約30至50奈米的銀粒子；二為利用乙二醇為溶劑及還原劑，於PVP存在下，還原硝酸銀而合成奈米銀絲。 因為於高溫環境下奈米銀會有熔聚的現象發生，為避免此情況的發生，因而製備銀／三氧化二鐵觸媒須以不會使奈米銀粒子熔聚燒結而研究目標之一，其中核殼結構為一已知可保護奈米銀粒子於高環境下不發生熔聚現象的結構設計，因此本研究中將以合成核殼結構為目標而嘗試許多不同的合成方式。最後以兩者主要製程做為比較，分別沉積沉澱法(Deposition Precipitation ，DP)及同質沉積沉澱法(Homogenous Deposition Precipitation ，HDP)，兩者皆為於先有沉積物(奈米銀粒子)的情況下，再進行沉澱反應及後續製程(三氧化二鐵)，但兩者差別為前者使用氫氧化納為沉澱劑；後者則是使用尿素，藉由此法可製備出不同樣貌的外觀結構。 將上述觸媒進行異丙醇完全氧化反應的相關觸媒實驗，以探討結構、型態、組成…等因素對銀/三氧化二鐵觸媒於去除VOCs效果上的影響。

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使用第一原理精確計算Ar-CF4及CF4-CF4分子間勢能函數

本論文的目的是探討使用不同的量子化學計算方法及不同的基底函數，比較計算分子間勢能的精確度。本篇論文使用的計算方法為MP2及CCSD(T)，基底函數使用aug-cc-pVXZ (X= D, T, Q)，其中最重要的是將計算加入Bond Function，比較有加入及沒加入Bond Function的計算結果，以證明使用Bond Function不僅能在較低的理論層級或較少的基底函數下仍可得到精準的計算結果，並且節省大量的時間。在計算的分子為氬與四氟化碳的分子間勢能的結果可驗證我們所要證明使用Bond Function可提升計算品質及減少計算時間。因此在計算四氟化碳與四氟化碳的分子間勢能時加入Bond Function。 在開始計算前，首先要先建立分子的結構，並改變分子間距離來進行計算。使用GAUSSIAN03計算得到結果並整理完後，再將計算所得到的數據與Buckingham Potential進行擬合，找出勢能參數，方可將使用量子化學計算結果應用在分子動力模擬。其中我們使用C++撰寫一個使用將非線性轉線性的方法來尋找適合的參數的程式，並且使用基因演算法優化先前的方法所找到的勢能參數。

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電子與電洞傳輸層應用於高分子太陽能電池之探討

近幾年來，由於人類對替代能源的重視，因此高分子太陽能電池的發展成為一個很重要的課題。對於高分子太陽能電池而言，其活性層 (active layer)內的形貌 (morphology)與串聯電阻皆會影響整個太陽能電池的效率。也因此，在本論文中，我們著重在此二個因素對以poly(3-hexylthiophene) (P3HT)混摻 [6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester (PCBM)為活性層之太陽能電池其效率的影響。 在本論文的第一個部分，我們分別利用熱退火 (Thermal annealing)與溶劑退火 (Solvent annealing)的方式來改變活性層之形貌。在最佳化的條件下，以熱退火方式製作的元件，效率可達 3.75 %，而對以溶劑退火方式製作的元件，最佳效率可達 4 %。 在本論文第二個部分，我們則利用本實驗室自行合成的水溶性聚苯胺sulfonic acid ring substituted polyaniline (SPAN)，作為太陽能電池中的電洞傳輸層，其元件效率可達 3.75 %，與以PEDOT：PSS為電洞傳輸層之元件相近 (3.9 %)。此說明了 SPAN有機會可取代 PEDOT：PSS作為太陽能電池中電洞傳輸層的材料。 在本論文的最後一個部分，我們則首先利用水溶性冠醚取代基之聚茀系高分子Poly[9,9'-bis (6'-(((1,4,7,10,13,16)hexaoxacyclooctadecanyl)methoxy)hexyl)fluorene] (PF-18-crown-6) 當作電子傳輸層，以降低太陽能電池中的串聯電阻。相較未塗佈電子傳輸層之元件，加入此層能夠使元件效率從 2.45 %提升到 2.82 %，此意謂著 PF-18-crown-6可有效降低串聯電阻並提升元件效率。

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串聯式發光元件中間層之機制

摘要 串聯式有機發光元件 (tandem organic light-emitting device, tandem OLED) 是利用中間層將數個發光元件連接，使其效率與亮度增加。其中，中間層是由兩層所組成：一層為低功函數金屬 (low work function metal, ex: lithium) 摻雜電子傳輸材料，稱為 n型摻雜層；另一層則為強拉電子材料 (ex: 2,3,5,6-Tetrafluoro-7,7,8,8,-tetracyano-quinodimethane, F4-TCNQ) 摻雜電洞傳輸材料，稱為 p型摻雜層。 在一般文獻中認為中間層可產生額外的電荷 (非電極注入之電荷)，並注入到鄰近發光層與電極注入之電荷再結合放光，因此，中間層又稱為電荷產生層 (charge generation layer, CGL)。但於元件操作時中間層持續消耗電子與電洞，若無電荷補充則明顯不合理，且此電荷補充機制尚無人提出，故本論文首先利用時間解析螢光光譜儀 (time-resolved electroluminescence, TREL)，證明中間層所消耗之電荷需由電極注入之電荷補充，才能繼續注入電荷到發光層中，且其補充所需時間之長短也會受到由電極注入電荷數目之影響。此機理之提出可讓我們對 tandem OLED之中間層電荷產生機制有更深入的了解，並進而設計出高效率之發光元件。

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以La0.8Sr0.2MnO3-δ為固態氧化物燃料電池陰極材料行氮氧化物還原之研究

本研究以鈣鈦礦結構導氧離子材料La0.8Sr0.2MnO3-δ(LSM)，搭配具有導氧離子性質之材料氧化釓參雜氧化鈰(Ce0.9Gd0.1O2-x, GDC)作為固態氧化物燃料電池 之複合式陰極材料，以氧氣(O2)、一氧化氮(NO)、水氣(H2O)與二氧化碳(CO2)等混成氣體模擬工業廢氣或汽機車廢氣組成之混合氣作為陰極進料，對於污染物一氧化氮(NO)進行還原減量之工作，從中分析電池電性以及出口氣體組成。此LSM-GDC為陰極材料電池以20% 氧氣為陰極氣體為進料於800℃下，電池之最大能量密度(maximum power density)可達63.8 mW/cm2。 於陰極材料LSM-GDC中含浸活性觸媒V2O5對於陰極進行改質，可大幅度提昇電池之最大能量密度至119.5 mW/cm2，以一氧化氮為陰極氣體之催化活性亦大幅度提昇。對於模擬工業廢氣或汽機車廢氣組成之混合氣中，分別分析其中水氣、氧氣濃度、二氧化碳濃度以及操作電壓對於一氧化氮轉化率之影響。以一氧化氮混合氦氣作為陰極氣體進料，對於出口氣體進行分析，藉此探討一氧化氮於固態氧化物燃料電池陰極側之反應機制。

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以耗散粒子動力學研究溫度對於PS-b-PI 分相形態影響

本研究以耗散粒子動力學模擬方法討論固定單體數目之分子鏈段聚苯乙烯-聚異戊二烯雙團聯式共聚合體(PS-b-PI)分相情形。改變鏈段PS/PI組成比例以及平衡溫度下，我們可以觀察到自組裝的現象以及最終平衡形態。初步階段，建立耗散粒子動力學模型之程式，以及將程式模擬結果與文獻比對，PS-b-PI系統，將模擬情形之比對。第二階段，將系統的平衡溫度(T=300K、350K、400K、450K、500K、550K)進行電腦模擬，結果繪製成相圖、將相圖與文獻比對。在同組成分率下設定的溫度由低到高的時候，分相的結果會循著一定的規則變化。由層板分相變為穿孔性層板，由穿孔性層板改為六角柱狀堆積，由六角柱狀堆積改為體心立方堆積，由體心立方堆積變為無序排列。

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利用分子動力學模擬(苯乙烯-b-順式1,4丁二烯)嵌段聚合物之行為

本研究利用分子動力學 (Molecular Dynamics)模擬在奈米尺度下，對聚苯乙烯和cis-1,4順式聚丁二烯之嵌段聚合物(diblcok copolymer)的組成討論，從兩高分子聚合物本身考慮不同的因素，利用排列方式、溫度控制、濃度分佈等等來觀察聚合物之自聚合(self-assembly)現象，對於組成的結構做分析。 從實驗結果中，對於聚丁二烯以及聚苯乙烯的模擬皆有有所確立性，此外在於丁苯聚合物的探討中，可以發現少量的模擬粒子下，丁苯聚合物的聚合現象便可觀察出其端倪。利用物性的測量，可比較出不同比例下的丁苯聚合物，分子數目越多的聚合物，因為分層現象影響，使得分子聚集讓迴旋半徑變小。

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耗散粒子動力學模擬帶支鏈官能基團高分子與線性高分子共混系統之相態衍變

本研究主要是利用耗散粒子動力學模擬帶側鏈官能基團梳狀共聚物高分子與單一線性高分子共混下的平衡相態，探討梳狀鏈段在主鏈上的鏈段比、線性高分子添加的比例和鏈長對系統平衡結構的影響。 首先設定三種不同鏈段比的帶支鏈官能基團共聚物並取六種不同的混摻比例來觀察變因對平衡相態的變化；接著再改變添加之線性高分子鏈長來研究混摻分子鏈長對相態的影響，並利用瞬照圖及各剖面結構圖來討論特徵結構的變化，再以高分子構型性質如迴旋半徑和末端-末端距離來解釋不同變因下各特徵結構之間的關連性。 從模擬結果可以發現不同共混比例會影響系統的平衡相態，如層板、穿孔層板、柱狀及球狀，而線性鏈段和梳狀鏈段的比例則是會影響特徵相結構的尺寸，再者改變混摻鏈段的長度，發現和原本長鏈混摻系統相態不一樣的現象，產生許多不同的特殊圖形如啞鈴狀和瓶狀結構。結論則是我們可以控制混摻的比例及鏈段的比例來達成所預期想要的相態形狀和大小，對於製備奈米元件和材料應用上有相當顯著的幫助。

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奈米鐵微粒於鎳鐵電池之鐵電極應用研究

本實驗係利用添加導電劑於鐵電極中，利用建立一導電網路以增進其電池性能。首先合成三種結構之鐵/銅複合物電極，並比較鐵微粒與此鐵/銅複合活性材料之電化學特性，三種結構之鐵/銅複合物電極分別為以共沉澱法製作的鐵/銅複合物電極、鐵外部包覆銅的鐵/銅複合物電極與具有銅核之鐵/銅複合物電極，分別標示為方法A、方法B與方法C，其中以鐵外部包覆銅之鐵/銅複合物電極(方法B)的電池性能最佳，電容量為800 mAh/g-Fe。 利用X光繞射光譜(X-ray diffraction, XRD)分析鐵微粒與鐵/銅複合活性材料於充放電過程之產物，並利用掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope, SEM)觀測其合成之鐵/銅複合物材料與其充放電態時的表面型態，合成之粒徑約為100-250 nm，接著以循環伏安法(Cyclic voltammetry, CV)探討材料的電化學行為，由於鐵電極主要放電反應是由鐵金屬氧化為Fe(OH)2，所生成的氫氧化物會降低其導電度，由XRD與CV圖形可推測放電時產生之Fe(OH)2未能完全轉換成Fe，而是變成絕緣層阻礙電子傳遞，降低導電性，放電電容量隨之減少。研究中，於鐵電極內添加金屬銅有助於增加鐵電極導電性，幫助電子傳遞以提升電池之可逆性，並獲得電容量之提升。 鐵電極自放電研究方面，除了利用添加具有較大氫氣超電位的銅以延緩自放電之外，亦選擇利用添加緩蝕劑的方式，初步選擇(CH3CH2CH2)4NBr、Na2MoO4‧2H2O、Na2HPO4、Na2Si3O7、EDTA、Cr2O3、NaNO2等添加物添加於鐵電極中，添加物會與鐵微粒產生鍵結以減緩鐵電極自發性的腐蝕反應，進而改善自放電。 實驗中亦以固定鐵重量只改變添加的銅含量之方式，作不同鐵銅重量比之循環穩定度與大電流測試，其中，當鐵銅重量比為三比一時，具有最佳之循環電容量(800 mAh/g-Fe)，大電流測試方面，放電密度分別為 0.5 C(200 mAh/g-Fe)、1 C(400 mAh/g-Fe)、2 C(800 mAh/g-Fe)、4 C(1600 mAh/g-Fe)、8 C(3200 mAh/g-Fe)與9.6 C(3840 mAh/g-Fe)，當鐵銅重量比為二比一時，其大電流放電測試之電池 性能最佳，其第一階段放電電容量皆可維持約 400 mAh/g-Fe。 由於鐵電極之反應為可逆反應，因此除了以零價鐵做為鐵活性材料之外，亦利用三價鐵做為鐵活性材料之前驅物，探討其電池性能為另一延伸之研究，包含奈米FeOOH(粒徑為 125 nm)與奈米Fe3O4(粒徑為 20 nm)。FeOOH/Cu 複合物電極於200 mA/g放電速率下，電容量約為 300 mAh/g，而 Fe3O4/Cu 複合物電極則可達到1400 mAh/g，因此，Fe3O4/Cu 複合物電極不但具備較佳之電性表現，且因其製程簡單與成本相對便宜等優點，以奈米 Fe3O4作為活性材料相對於奈米 Fe更具應用上之潛力。 目前本實驗室利用奈米鐵微粒於製備鎳鐵電池上之電容量高達 800 mAh/g，則能量密度可達95 Wh/kg以上，鎳鐵電池性能與鎳氫電池不相上下，而成本卻大幅降低，該能量密度與鋰錳化合物鋰電池相同，為一般鉛酸電池的三倍，十分適合作為輕型電動交通工具使用，而成本的優勢則非鋰離子電池所能比擬，期望鎳鐵電池能為電動車產業開闢新的契機。