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研究生:陳維正
研究生(外文):Wei Zheng-Chen
論文名稱:仿葉綠體機制之奈米光電池技術研究
論文名稱(外文):Development of a Chloroplastmimic Photovoltaics
指導教授:王國禎
指導教授(外文):Guo-Zhen Wang
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:機械工程學系所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:68
中文關鍵詞:葉綠體光電池類囊體奈米孔洞陽極氧化鋁
外文關鍵詞:Chloroplastphotovoltaicsthylakoidnanoporeanodic aluminum oxide
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本研究之主要目的乃是先藉由模仿葉綠體的機制,以人工酵素將光能轉換成分解水之化學能,再藉由濃度梯度造成分子滲透類囊體膜的特性,製造帶電離子之運動產生電流,發展新型太陽能光電池元件。
主要研究內容包含:人工酵素之製作,奈米孔洞薄膜之離子通道製作,電能量測與儲存等三大項。
在人工酵素製作方面,本研究規劃以二氧化鈦(TiO2)結合奈米碳管(CNT) 做為分解水成為H+與•OH之酵素,即仿葉綠素將光能轉換成化學能之機制。TiO2之吸收光譜原在紫外光區,直接以太陽光照射之酵素功能不明顯,若將TiO2沈積於CNT上,則其吸收光譜將變為可見光,故可做為有效將光能轉成化學能之酵素。
在離子通道方面則是規劃製作多孔性陽極氧化鋁膜(AAO)及單一奈米孔洞之矽晶薄膜,用以隔離不同濃度之H+,製造濃度梯度產生電流。葉綠體之離子通道乃是藉由H+濃度梯度製造ATP,本研究則是用以製造H+濃度梯度,進而直接產生電流。
電能量測則是製作微電化學槽,以奈米孔洞薄膜分隔成兩部分,再以電化學分析儀量測在太陽光及CNT/TiO2酵素作用下,奈米孔洞薄膜兩邊H+濃度梯度所產生之光電流。
實驗結果證實本研究所提出之新太陽能電池架構確可直接由太陽光製造光電流,研究成果具有極大之潛能。
Chloroplast is the most efficient solar energy conversion cell. Successful implementation of the conversion mechanism of the chloroplast can be a promising direction for new energy recourses. This research focuses on the developement of a chloroplastmimic photovoltaics based on the nanotechnology. The concepts of the proposed chloroplastmimic photovoltaics are using photocatalysis to resolve water into H+ and •OH, applying artificial thylakoid membrane to separate cells of H+ with different concentrateions such that concentration gradient of H+ can be generated, generating current by the diffusion of H+ due to concentration gradient.
The ion diffusion property of a real cell membrane is imitated by an anodic aluminum oxide (AAO) membrane. The hydrolysis function of the enzyme in chloroplast is performed by a titania (TiO2) and carbon nanotube (CNT) combined photocatalysis to shift the absorbing spectrum of the pure titania form UV to visible light. An electrochemistry bath that used the AAO membrane as the filter to separate two vessels with concentration gradient is built to measure the photocurrent of the proposed chloroplastmimic photovoltaics.
Experimental results demonstrate that the proposed simple chloroplastmimic photovoltaics can generate photocurrent directly from the sun light. Further applications can then be expected.
致謝……………………………………………………………………….I
中文摘要………………………………………………….………………II
英文摘要…………………………………………………….……………IV
目錄…………………………………………………………………….…V
圖目錄……………………………………………………………….…VIII
表目錄………………………………………………………………….XII
第一章 緒論……………………………………………………………….1
1-1 研究背景與動機…………………………………………………1
1-2 論文架構…………………………………………………..……10
第二章 光合作用………………………………………………………11
2-1 光反應…………………………………………………………..12
2-1-1 光系統II (PSII)………………………………………13
2-1-2 光系統I (PSI)……………………………………….....14
2-2 暗反應………….……………………………………………….14
2-2-1羧化雙磷酸核酮醣(Carboxylation of ribulose bisphosphat
-e)……………………………………………………………….15
2-2-2 還原(Reduction)……………….………………………16
2-2-3 再生RuBP(Regeneration of ribulose–1,5-bisphosphate)16
第三章 仿葉綠體機制之新太陽光電池………………………………17
3-1分解水之人工酵素材料-光觸媒TiO2…………………………..18
3-1-1 半導體光觸媒介紹……………………………………...18
3-1-2 光催化原理……………………………………………...19
3-1-3 奈米光觸媒效應………………………...………………21
3-1-4 CNT/TiO2複合材料…………………………………...23
3-2 仿類囊體元件…………………………………………………..23
3-2-1 陽極氧化鋁膜(Anodic Aluminum Oxide,AAO)..……24
3-2-2 矽晶片上之單個奈米孔洞……………………………25
第四章 仿葉綠體機制之新太陽光電池製作…………………………...27
4-1仿類囊體膜之矽晶片奈米孔洞薄膜製備…………….………..27
4-1-1矽晶片上製作奈米孔洞製程規劃………………………27
4-1-2矽晶片上製作奈米孔洞之製程步驟……………………28
4-1-3 矽晶片上製作奈米孔洞結果與討論…………………35
4-2 仿類囊體膜之多孔性陽極氧化鋁膜製作……………………..41
4-2-1陽極氧化鋁膜製程………………………………………41
4-2-2 以草酸製作陽極氧化鋁膜……………………………...41
4-2-3 以硫酸製作陽極氧化鋁膜……...………………………45
4-3 分解水之人工酵素CNT/TiO2複合材料製作…………………46
4-3-1 CNT/TiO2複合材料製程規劃…………………………46
4-3-2 CNT/TiO2複合材料製程步驟………………………47
4-3-3 CNT/TiO2複合材料結果與討論……………………49
4-4仿葉綠體架構之光電池製作…………………………………51
第五章 仿綠體機制之新太陽光電池之電流量測………………….…..53
5-1 離子擴散電流量測……………………………………………..53
5-1-1 孔徑約30∼50nm之多孔AAO薄膜…………………54
5-1-2 孔徑約50∼80nm之多孔AAO薄膜…………………...54
5-1-3 孔徑約數十nm之單孔Si晶片…………………………55
5-1-4 結果討論………………………………………………56
5-2 仿葉綠體機制之新太陽光電池之電流量測………..…………58
5-3仿葉綠體機制之新太陽光電池之電流量測結果與討...………59
第六章 結論與未來發展………………………………………………...63
6.1 結論……………………………………………………………..63
6.2 未來展望………………………………………………………..65
參考文獻…………………………………...……………………………..66
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