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利用濺鍍製程優化鋰離子電池的介面以提升下一代全固態電池的適用性

近十年來，鋰離子電池已廣泛應用於3C產品，智能手機和電動汽車，其主要為電化學電池，主要由陰極，陽極和有機電解質組成。為了滿足電動汽車（EV）的應用，固態電池的新概念已成為必不可少的主題，並且對於擴大鋰離子電池的應用範圍變得越來越重要。其中，薄膜電極是一種有利的方法，其可以作為具有特定區域和平面幾何之電極表面以探索活性固體及固態電解質相互作用的電化學過程。本研究的目的是開發固態薄膜鋰離子電池並表徵電化學性能。 在陽極材料方面，通過在環境溫度下在Cu微錐陣列（CMA）上的兩步DC濺射合成氮化矽塗覆的矽（N-Si）。研究了具有不同厚度氮化物層的N-Si陽極的電化學性質。在200次循環之後，通過較薄的氮化物層塗層增強循環穩定性，因為氮化矽膜被覆蓋的Si薄膜轉化為Li3N.由於氮化矽膜導致的低電荷轉移電阻，這使N-Si陽極可以在高達10C的高速率下循環，其組合可以有效地承受高電流，從而提高循環穩定性。 在陰極材料，利用直流電（DC）系統成功地沉積Pt（111）緩衝層，並透過射頻（RF）磁控濺射技術在緩衝層上製備了具有c軸（003）優選方向的高織構 LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2薄膜。 此外，LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2薄膜也沉積在Ti緩衝襯底上。基底結構對薄膜結構和的影響研究並比較了沉積在這兩種（Pt和Ti）襯底上的LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2薄膜的電化學性能。這些金屬作為緩衝層薄膜沉積在不銹鋼基底上，提供更好的導電性和結晶度，有利於循環穩定性。結果表明，Pt / LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2薄膜電極在環境溫度下具有84mAh / g的放電容量，並且在200個循環內顯示出穩定的循環性能。 此外，於本論文中還研究了固態電解質和離子水性粘合劑以解決固體電解質/電極界面之間的高界面電阻。固體電解質在從當前液體電化學到固態的過渡階段中受到越來越多的關注。在改性之後，清楚地揭示了具有固態聚合物電解質膜和離子水性粘合劑之LiFePO4半電池的性能。 在這篇論文中。揭示了關鍵問題以及對電極/固體電解質界面工程影響的基本理解。這些發展為滿足下一代高功率鋰離子電池的要求提供了巨大的潛力。

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利用快速熱處理製程提升廢料矽於鋰離子電池負極之電化學性能

本研究將從太陽能工業所產生之廢料矽純化後，透過簡易的快速熱處理製程，將其轉變為鋰離子電池負極材料。此廢料矽/碳複合負極可透過在快速熱處理製程中將聚丙烯酸/聚乙烯醇交聯黏著劑部分碳化後所製成。這樣的設計改進了廢料矽負極中的導電網絡，避免因矽在充放電過程中劇烈的體積膨脹使整個電極受到損害。除此之外，於電極中的碳層結構可以提供電子導電路徑，因此在此負極設計中無須添加額外之助導材料。電化學測試結果顯示，改良後之負極首圈庫倫效率高達89%，100圈充放電後仍保有1400 mAh g-1可逆電容量，且在C-rate測試中也展現了優異的成果。總結來說，根據低成本、簡易製程，高性能的優勢，此研究提供了一製備高電容量鋰離子電池負極的有利途徑。

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量子點敏化太陽能電池光陽極材料之研究

摘要 本研究探討串接式CdS/CdSe量子點的載子動力學以及不同奈米氧化物材料對CdS/CdSe量子點敏化太陽能電池(QDSSCs)光電轉換效益影響。 首先使用連續離子吸附反應法(SILAR)和化學浴沉積法(CBD)，分兩階段成長串接式CdS/CdSe量子點。透過時間解析共軛焦螢光顯微系統以及飛秒瞬態吸收光譜儀分析，發現第一階段成長的CdS可有效遏制主要吸收層CdSe成長所產生的接面缺陷，且CdS/CdS所形成之階梯狀的能帶結構能夠有效增強光電子的注入及分離。進一步使用CdS/CdSe量子點搭配tetrapod-like氧化鋅 (t-ZnO) 奈米顆粒光陽極材料，製備成三明治結構的QDSSCs，並對電池元件量子點、光陽極膜厚、及電解液等進行一連串的優化，最終可以得到4.24%光電轉換效率。 研究第二部分以水熱法合成高比率(001)面的TiO2奈米板 (Nanosheets, NSs) 作為QDSSCs的光陽極材料，對比商用P-25 TiO2 奈米顆粒(nanoparticles, NPs)，同樣採用CdS/CdSe QDs作為光敏化材料，結果顯示高比例(001)面TiO2 NSs製備的電極元件在單位比表面積、孔隙度、及QDs吸附量等參數都有明顯提升。透過電化學阻抗分析儀做進一步分析，結果也顯示結晶性良好的二維結構能夠提供光電子較佳的傳輸效率，而良好的QDs吸附也減少TiO2/電解液接面電子再復合機率，最終元件光電轉換效率可達4.42%，對比P-25 NPs元件有54%提升。

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鋁銅鐵準晶成長與特性分析之研究

本人的博士論文主要研究著重於觀察多層膜結構中之薄膜Al-Cu- Fe準晶。研究目的是為了增廣我們對準晶生長機制及準晶在加熱和冷卻過程中階段性相變的了解。首先，我們透過磁性濺鍍沉積Al，Cu和Fe，再嘗試利用最佳退火條件形成薄膜Al-Cu-Fe準晶。我們發現退火的步驟和持續時間對準晶的形成構造和生長性能有顯著的影響，接者運用納米壓痕測試以測量薄膜的硬度，並且量測接觸角度以計算表面能量。研究顯示，持續較長時間的退火過程（15小時）增加了準晶的結晶度，並產生最大硬度（~11 GPa）和最高接觸角（127°）；我們試著分析研究結果後發現準晶的生長性能及表面能量和相變的過程有著密不可分的關係，這樣的研究結果促使我們想更進一步去觀察準晶從RT到800°C的相變過程。利用原位XRD和原位TEM技術量測，可以使我們在加熱和冷卻的過程中直接觀察到準晶薄膜的相變過程，量測結果表明在加熱過程中三元相的熱力比二元相更加穩定，並且得知準晶形成發生在冷卻過程中，特別是在樣品變成液態後的660℃。利用高解析度XRD, 我們證明繞射峰的寬度隨著散射向量(G∥)增加，但和phason momentum (G⏊)並無關係。此分析確定了我們確實觀察到準晶而非approximant crystals而且幾乎沒有phason 應變。 為了更瞭解其穩定機制，我們研究了Al-Cu-Fe之多層膜之升溫降溫過程之環境、鄰近原子以及配位數，藉著in-situ X-ray 吸收光譜，我們釐清了在高溫下，ω-Al7Cu2Fe 與液態之相轉變以及在降溫過程形成準晶的過程。藉著分析在700°C 和 800°C 下之XAFS數據，我們觀察到Cu-Cu原子間距大幅增加，Cu之第二殼層遷移至第四殼層。在降溫過程中，藉著改變Fe,Cu原子間距、配位數以及原子周遭環境距形成準晶相。在冷卻的過程中，Fe的配位數大幅改變且兩殼層、配位數為4和5的Al原子結合成一圓子間距較小的單一殼層(配位數=9)。總合來說，在這個研究中，我們用了不同的技術來研究準晶的形成以及其物理性質，此研究給予了準晶相關研究領域清晰的描繪並對準晶奈米材料的合成提供一個更好地理解。