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研究生:顏政雄
研究生(外文):Cheng-Hsiung Yen
論文名稱:奈米金粒子修飾氮化鎵電極之光電化學特性及其在直接光照水分解產氫之應用
論文名稱(外文):Photoelectrochemical Characterization of Gold Nano-Particle Modified GaN Photoelectrode: Application to Direct Water Splitting for Hydrogen Generation
指導教授:黃智賢黃智賢引用關係陳貴賢陳貴賢引用關係林麗瓊林麗瓊引用關係
指導教授(外文):Jih-Shang HwangKuei-Hsien ChenLi-Chyong Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:光電科學研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:70
中文關鍵詞:氮化鎵水分解產氫光電化學奈米金
外文關鍵詞:GaNwater splittinghydrogen generationphotoelectrochemistrygold nanoparticle
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在本研究中,我們比較表面修正奈米金粒子的n型和p型氮化鎵光電極在1M HCl水溶液裡的光電化學特性。奈米金粒子是藉由離子槍濺鍍系統(Ion Beam Sputter Deposition)直接沉積在氮化鎵表面,平均粒子大小約為10nm。光電化學特性的量測是以氮化鎵光電極為工作電極、Ag/AgCl為參考電極而鉑電極為輔助電極在1M HCl溶液裡進行三電極式的量測,使用光源為使用濾鏡近似太陽光譜100mW/cm2的氙燈。實驗結果顯示,奈米金粒子對n型和p型氮化鎵則呈現出不同光電化學特性。對p型氮化鎵而言,表面靠奈米金粒子的修正提升了在零偏壓的光電流,並且使得平帶電壓有正偏壓方向的位移,且也提升了光電轉換效率;然而對n型半導體而言則是相反的結果。由於p型氮化鎵用於水分解時,有較好的抗腐蝕特性,因此,以奈米金粒子修飾表面的p型氮化鎵應用於光電化學水分解上,未來應有相當不錯的應用潛力。
In this study, we compare the photo-electrochemical (PEC) properties of n- and p-GaN modified with gold nano-particle in 1M HCl solution for water splitting. The Au nano-particle was deposited on GaN by ion beam sputtering system, with the average diameter being about 10nm. The PEC properties were conducted in 1M HCl solution with Ag/AgCl electrode as reference electrode, Pt as counter electrode. As for the light source, we used a xenon lamp with filters to simulate the sun light. The light power density was fixed at 100mW/cm2. The PEC I-V curve results showed quite different behaviors between n- and p-GaN. After gold particle deposited, further changes occurred. For p-GaN, Au nano-particle deposition enhanced the photocurrent, whereas n-GaN shows a suppressed result. Although the saturation current is similar to the original p-GaN, the IPCE (Incident Photo to Current Conversion Efficiency) results of the Au particle deposited p-GaN demonstrated an enhanced efficiency and a largely increased photocurrent (-0.016��-0.418 mA/cm2) under zero bias (vs. the Pt electrode). The highest IPCE under zero bias is about 24% at 300nm. From the shifted on-set potential, the enhanced mechanism was explained by the change in surface band-bending after Au deposition. It is believed that the Au ano-paticle modified p-GaN should show its potential in acting as a good photocathode in water splitting.
目錄
致謝 I
摘要 II
ABSTRACT III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 X

第一章 緒論 1
1.1 簡介 1
1.2 原理介紹 2
1.2.1 半導體的分類及介紹 2
1.2.2 光伏特系統 4
1.2.3 光電化學系統 6
1.3 文獻回顧與研究動機 10
1.4 研究方向 15
第二章 實驗裝置與方法 16
2.1 光電極的備製 16
2.2 交流阻抗分析量測 20
2.2.1 平帶電壓(Flat Band Potential) 21
2.3 光電化學量測(PHOTOELECTROCHEMICAL MEASUREMENT) 23
2.4 入射光電轉換率量測(INCIDENT PHOTO TO CURRENT CONVERSION EFFICIENCY, IPCE) 26
2.5 離子束濺鍍沈積(ION BEAM SPUTTER DEPOSITION, IBSD) 27
第三章 結果與討論 32
3.1 N&P型氮化鎵基本特性分析 32
3.1.1 交流阻抗分析量測結果 32
3.2 光電化學特性分析 37
3.2.1 奈米金粒子對n型氮化鎵之光電化學特性影響 37
3.2.2 奈米金粒子對p型氮化鎵之光電化學特性影響 40
3.3 入射光電轉換率量測(IPCE)結果 42
3.4 機制討論 43
3.4.1 表面電漿效應 43
3.4.2 金屬功函數效應 47
3.5 穩定性測試 50
第四章 結論 55
參考文獻 56

圖目錄
圖1-1 (A)本質(B)N型和(C)P型半導體在熱平衡狀態下的能帶簡圖、態密度、費米-笛拉克分佈和載子濃度分佈。 4
圖1-2 P-N介面的形成與其接面能帶圖。 5
圖1-3 照光情況下,電子電洞在P-N介面的流動情形。 6
圖1-4 FUJISHIMA和HONDA以TIO2作為光電極應用在水分解之實驗簡圖。 8
圖1-5 各種材料相對水氧化還原電位簡圖。 8
圖1-6 N型和P型半導體與溶液接觸前和接觸後的能帶簡圖,其中EF和 。分別為半導體的費米能階和溶液的化學勢能階。 9
圖1-7 N型和P型半導體照光下在溶液裡連結鉑電極之電子電洞對流動情形。 10
圖1-8. (A)異質結構光伏特-光電化學元件簡圖及(B)其理想能帶簡圖。 12
圖1-9. 不同能隙材料對應其最大光轉換效率,圖中最大能隙波長610NM代表材料可進行水分解之吸收波長最大上限。 13
圖1-10. (A)N型和(B)P型氮化鎵在不同PH?溶液底下之價帶與導帶電位圖。 14
圖1-11. N型氮化鎵在不同PH值溶液經3小時光電化學反應的表面SEM形貌圖。 15
圖2-1 氮化鎵電極圖。 17
圖2-2. N型氮化鎵/TI(30NM)/AU(100NM)退火前後之I-V圖。 18
圖2-3. P型氮化鎵/NI(30NM)/AU(70NM)退火前後之I-V圖。 18
圖2-4 等效電路。 21
圖2-5 N型半導體在不同偏壓下的能帶圖(A)所受偏壓等於平帶偏壓之情形(B)所受偏壓小於平帶偏壓之情形(C)所受偏壓大於平帶偏壓時(D)所受偏壓遠大於平帶偏壓時。 23
圖2-6 N型與P型半導體施加不同電壓的電流特性與其能帶彎曲狀況。 24
圖2-7 光電化學量測裝置。 25
圖2-8 燈源光譜圖。 26
圖2-9 IBSD系統構造簡圖。 29
圖2-10 奈米金粒子/GAN,十萬倍SEM圖。 30
圖2-11 奈米金粒子/GAN,三十萬倍SEM圖。 30
圖2-12 奈米金粒子/GAN,五十萬倍SEM圖。 31
圖3-1 N型氮化鎵之MOTT-SCHOTTKY圖。 33
圖3-2 P型氮化鎵之MOTT-SCHOTTKY圖。 34
圖3-3 N型與P型氮化鎵在1M HCL溶液裡不照光底下之OCP圖。 35
圖3-4 N型氮化鎵PL圖。 35
圖3-5 P型氮化鎵PL圖。 36
圖3-6 N型氮化鎵在1M HCL溶液裡不在光環境下之能帶情況簡圖。 36
圖3-6 N型氮化鎵在1M HCL溶液裡不在光環境下之能帶情況簡圖。 37
圖3-7奈米金粒子對N型氮化鎵之暗電流特性影響圖(三電極式量測)。 38
圖3-8 奈米金粒子對N型氮化鎵之光電化學特性影響圖(三電極式量測)。 39
圖3-9 奈米金粒子對N型氮化鎵之光電化學特性影響圖(兩電極式量測)。 39
圖3-10 奈米金粒子對P型氮化鎵之暗電流特性影響圖(三電極式量測)。 40
圖3-11 奈米金粒子對P型氮化鎵之光電化學特性影響圖(三電極式量測)。 41
圖3-12 奈米金粒子對P型氮化鎵之光電化學特性影響圖(兩電極式量測)。 41
圖3-13 奈米金粒子對N型氮化鎵之光電轉換特性影響圖。 42
圖3-14 奈米金粒子對P型氮化鎵之光電轉換特性影響圖。 43
圖3-15 使用500NM短波長穿透濾鏡之光源圖譜。 45
圖3-16 使用450NM長波長穿透濾鏡之光源圖譜。 45
圖3-17 N型氮化鎵使用500NM短波長穿透濾鏡之光源量測結果。(A)無使用濾鏡,(B)使用濾鏡。 45
圖3-18 P型氮化鎵使用500NM短波長穿透濾鏡之光源量測結果。(A)無使用濾鏡,(B)使用濾鏡。 46
圖3-19 N型氮化鎵使用450NM長波長穿透濾鏡之光源量測結果。(A)無使用濾鏡,(B)使用濾鏡。 46
圖3-20 P型氮化鎵使用450NM長波長穿透濾鏡之光源量測結果。(A)無使用濾鏡,(B)使用濾鏡。 47
圖3-21 N型和P型氮化鎵費米能階對金之功函數相對圖,與接觸平衡後其能帶的變化圖。 48
圖3-22 金薄膜(5NM)對P型氮化鎵之光電化學特性影響圖(三電極式量測)。 49
圖3-22 金薄膜(5NM)對P型氮化鎵之光電化學特性影響圖(兩電極式量測)。 49
圖3-23 N型氮化鎵經過6小時穩定性測試後的前後表面形貌SEM圖。 51
圖3-24 P型氮化鎵經過6小時穩定性測試後的前後表面形貌SEM圖。 51
圖3-25 P型氮化鎵鋪奈米金粒子前後照光零偏壓下之光電流穩定性測試。 52
圖3-26 P型氮化鎵照光零偏壓底下的實際圖,右圖可見P型氮化鎵表面有氣泡的累積。 52
圖3-27 P型氮化鎵6小時的光電化學反應前後SEM圖。 53
圖3-28 P型氮化鎵6小時光電化學反應後SEM圖50,000倍。 53
圖3-28 P型氮化鎵6小時光電化學反應後SEM圖100,000倍。 54
圖3-29 P型氮化鎵6小時光電化學反應後(A)SEM圖(B)背向散射圖。 54

表目錄
表2-1 P型氮化鎵不同接觸金屬的退火條件。 19
表3-1 N型和P型氮化鎵之載子濃度與平帶電壓。 34
表4-1 奈米金粒子對N型和P型氮化鎵的起始電位和零偏壓底下光電流的影響。 55
參考文獻
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