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國立清華大學 化學工程學系 馬振基所指導 王郁盛的 功能性石墨烯應用於超級電容器及染料敏化太陽能電池電極材料之製備與特性研究 （2014），提出Scs ls 02關鍵因素是什麼，來自於超級電容器、石墨烯、染料敏化太陽能電池、高分子複合材料、可撓曲式裝置。
功能性石墨烯應用於超級電容器及染料敏化太陽能電池電極材料之製備與特性研究
為了解決Scs ls 02 的問題，作者王郁盛 這樣論述：
本論文旨在研究具功能性與高效能之電化學儲能元件以及再生能源轉換設備中之元件的方法與特性，元件主要包含“可撓曲式”超級電容器(flexible supercapacitor)以及“雙面進光式” 染料敏化太陽能電池(bifacial solar cell)。本論文的研究分為三個部分：(一) 透明聚苯胺-石墨烯複合電極之製備及其於雙面進光式染料敏化太陽能電池之特性；(二) 電紡奈米尼龍纖維布-石墨烯複合織布電極之製備及其於可撓式超級電容器之性質；(三) 一步法製備陽極複合沉積技術及其於固態以及可撓式超級電容器之特性。1. 透明聚苯胺-石墨烯複合電極之製備及其於雙面進光式染料
敏化太陽能電池之特性在染料敏化太陽能電池中，過去的研究致力於如何提升光電轉換效率及降低整體電池成本，近年來，矽晶型太陽能電池雙面進光(bifacial light incidence)的概念開始被導入染料敏化太陽能電池之中，此方式可直接增加可被太陽能電池吸收的總光通量(illumination)以降低染料敏化電池的發電成本，因此製備具高透明度以及具良好催化活性之對電極成為雙面進光式敏化太陽能電池發展的主要挑戰之一。然而碳的催化活性主要來自於阻擋石墨烯板上電子傳輸的缺陷及含氧官能基團。使得碳催化層過薄時往往無法兼顧導電性以及催化活性，造成光電轉換效率遠低於一般常用的白金電極。因此，碳催化層需要有
一定的厚度才能達成良好的電子傳導率及可接受的催化活性，但透光度卻會因此降低。因此本研究在第三章提出了一種原位聚合方式將具良好透明性之活性材料聚苯胺(polyaniline)與奈米石墨烯同時承載於導電玻璃製備聚苯胺-石墨烯透明複合電極。此複合電極同時具高轉換效率及良好透光性，解決了碳催化層無法兼具透光性及高光電轉換效率的問題。此原位聚合法所形成之複合薄膜上主要由花椰菜狀(cauliflower)之聚苯胺粒子所構成，而石墨烯的添加則提供了一模板提供苯胺成核及鏈成長，最終於石墨烯表面及週圍生成蠕蟲狀(worm-like)之聚苯胺，增加表面粗糙度以及與電解液的接觸面積，使得聚苯胺-石墨烯複合電極之交換
電流阻抗低於純聚苯胺電極(聚苯胺-石墨烯複合電極: Rct=2.45Ω，聚苯胺電極: Rct=2.7Ω)，因此在正向光入射下的光電轉換效率測試中，使用聚苯胺-石墨烯複合電極的染料敏化太陽能電池之效率高於使用純聚苯胺之電池(聚苯胺-石墨烯複合電極：’=7.84%，聚苯胺電極：’=6.7%)，在光穿透度上，此法所製備之催化層厚度只有700nm，且由於石墨烯的導入將誘導聚苯胺以導電摻雜態存在，因此聚苯胺石-墨烯複合電極在碘酸還原後轉為高透明還原態的同時亦可維持良好導電性，使聚苯胺-石墨烯複合電極擁有較純聚苯胺電極及更高的透光性(聚苯胺-石墨烯電極：當λ=550nm, T~95%，純聚苯胺電極：
當 λ=550nm, T~75%)，因此在背向光入射測試下，聚苯胺-石墨烯複合電極除了比聚苯胺電極有更佳的光電轉換效率亦展現了較高的效率維持比例(聚苯胺-石墨烯複合電極: ’=6.08%, retention=77.6%，聚苯胺電極: ’=4.63%, retention=69.1%)。2. 電紡奈米尼龍纖維布-石墨烯複合織布電極之製備及其於可撓式超級電容器之性質在可撓式超級電容器中，利用衣料、織布做為電容器之活性物質(如氧化錳、奈米碳材等具電容性質之物質)的載體(Substrate)之可撓式電極能夠以縫紉方式直接與衣物、穿戴飾品做結合。由於此類超級電容器可直接與衣服做結合，因此在近
幾年，不同織布載體以及不同活性物質廣泛的被提出為了達到降低穿戴式超級電容器體積以及重量的目的，本論文第四章提出一新的概念，以奈米纖維布取代一般常用的微米纖維織布做為載體，利用奈米纖維布較微米纖維織布有更高表面積的性質，在單位體積下吸附更大量的活性物質以達穿戴式超級電容器輕量化的目的。本研究將電紡奈米尼龍纖維布與裁切過的奈米石墨烯做結合，實驗結果發現經過適當裁切之奈米石墨烯才可有效進入奈米纖維的孔隙之間，使電紡奈米尼龍纖維布達到最大石墨烯承載量。而利用此電極組裝而成的超級電容器於0.5A g1的充放電速率下，其電容值可達72 F g1 (單位重量電容), 0.931 F cm2 (單位面積
電容)以及38.79 F cm3 (單位體積電容), 高於微米尼龍纖維布電極所組成之超級電容器31 F g1, 0.213 F cm2, 8.52 F cm3，此結果證實了奈米纖維布和適當尺寸之奈米石墨烯彼此可發揮良好的協成效應，可取代一般微米纖維布構成之電極。 3. 一步法製備之陽極複合沉積技術及其於固態以及可撓式超級電容器之應用本論文第四章之織布型可撓式電極雖具廣泛應用性，但相較於石墨電極，纖維之非導電性依然會降低整體複合電極之導電性，使得織布系可撓曲式電極在過高充放電功率(>2000W)下會有高的電壓衰退，導致較差的電容表現，使得部分需極高功率的元件無法使用織布系可撓曲式電
極。為了製備出可用於高功率設備之可撓曲式電極，本研究第五章中提出一種一步法製備之陽極複合沉積技術，並使用不銹鋼片以及石墨紙做為承載基材，分別發展固態電極及可撓曲式電極。在最佳沉積條件下，不銹鋼-石墨烯-錳氧化物電極(a-MnOx/rGO-CNT1V-steel)具高比電容（在5 mV s-1時可達440 F g-1）以及優良的電容維持率（1000 mV s-1時達60%）。一個由活性碳負電極以及a-MnOx/rGO-CNT1V正電極所組成的非對稱超級電容可於比功率（specific power, SP）在1 kW kg-1時提供18 Wh kg−1的高比能量（specific energy,
SE）。此非對稱超級電容之SE在相當高SP（32 kW kg−1）時可達到5.1 Wh kg−1。而石墨紙-石墨烯-錳氧化物電極(a-MnOx/rGO-CNT1V-graphite paper)則與a-MnOx/rGO-CNT1V-steel之電容表現(在5 mV s-1時可達431 F g-1)相近，並具有可撓曲性質。