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理論計算於碳基材料為對電極和陰極材料在太陽能電池和儲能系統上的研究和應用

為了解決jet sl價格的問題，作者林冠宇 這樣論述：

面對人類未來對永續環境與能源的高度需求，人們意識到太陽能在永續能源開發上扮演越來越重要的角色，因此如何開發低成本、高效率和潔淨的太陽能技術將成為刻不容緩的議題。染料敏化太陽能電池 (Dye-sensitized solar cells, DSSCs) 和量子點太陽能電池 (Quantum dots solar cell, QDSCs) 是第三代的奈米薄膜太陽能電池，優點在於原料成本低、製程容易與簡單的製程設備，因此DSSCs和QDSCs受到各界專家學者的重視。經過多年研究，許多科學家發現，可以利用價格低、導電性佳的石墨烯材料作為太陽能電池對電極的材料。然而，石墨烯完美的蜂巢結構與單一的元素組

成，使其不利於在電催化領域的應用，透過摻雜其它元素於石墨烯表面，可以對石墨烯的結構和物理化學性質進行調控，使其在電催化等領域表現出優異的性能，更適合應用在染敏電池的對電極中。因此，本篇博士論文研究方向著重在理論計算對於摻雜石墨烯的種類、物理、化學性質如何改變，和它們於對電極上的應用。當染敏電池開始運作的時候，正負電極之間因電位的改變產生了內電場，進而影響電池內部的電化學反應。因此在本研究的第二部分，利用外加電場的方式，模擬碘分子在氮摻雜石墨烯 (NC5) 表面的解離反應。計算結果發現碘離子在NC5表面的脫附過程為整個還原反應的速率決定步驟，其碘分子脫附過程與常用的白金電極表面 (Pt (111

)表面) 相比，計算結果說明氮摻雜石墨烯表面在負電場效應影響下，碘離子更容易從NC5表面脫離並擴散到電解液中。此外，本研究第三部分使用理論計算探討不同濃度的摻雜元素對於石墨烯導電度的影響，並探討其生成熱 (formation energy) 大小，進一步分析含硼(B-doped)、氮(N-doped)以及硼氮共摻雜(B-N co-doped)石墨烯的熱穩定性。計算結果顯示硼（較低的電負性）和氮（較高的電負性）原子共摻雜可以產生獨特的電子結構，並在雜原子之間產生協同耦合作用，從而有助於電子構型的微小變化並減小帶隙。此外，硼氮共摻雜石墨烯的生成熱與硼摻雜和氮摻雜石墨烯相比也相對低很多，當摻雜濃度達

到33.3% 時，硼氮共摻雜石墨烯的生成熱也只有約0.3 eV。綜觀上述，硼氮共摻雜石墨烯擁有好的導電性和熱穩定性，比起單一元素摻雜石墨烯更適合當作對電極材料。另外，我額外探討電荷效應對於碘分子在硼氮共摻雜石墨烯(BNG)表面上的吸附和分解過程，利用理論計算完整且深入的探討碘分子在電極表面上吸附前後的電子結構變化、電荷改變量以及I3－還原反應的動力學模擬。計算結果指出，帶負電的BNG表面上I－I鍵斷裂的活化在熱力學和動力學上都更加有利。此外，碘分子得到電子解離後，對於未帶電系統，碘離子能夠輕易地從帶負電的BNG表面上脫附，計算結果顯示電荷效應對於碘離子的脫附步驟有著顯著的影響。除了探討電場效應

和電荷效應，在本研究中的第四部分探討多層石墨烯對於對於碘分子在BNG表面上的吸附和分解的影響。計算結果顯示硼氮共摻雜的多層石墨烯比單層石墨烯更適合應用在對電極材料，因為硼氮共摻雜的多層石墨烯擁有更好的導電性和熱穩定性。此外，研究結果也指出碘分子在多層BNG表面上的解離反應在熱力學和動力學上也都非常有利。硼氮共摻雜石墨烯除了上述提到擁有良好的導電性和熱穩定性外，與低電荷密度白金表面相比，碘離子能夠更輕易地從低電荷密度的BNG表面上脫附，且脫附能僅有0.25 eV，此結果使BNG表面具有更多優點取代白金對電極，尤其是將其應用在室內光的光電轉換裝置中。本研究第五部分也探討多硫化物電解質(Sn, n

=2-8)在QDSCs中的還原分解反應。利用理論計算分析其在電荷效應的影響下，多硫化物電解質在BNG表面上的吸附和還原分解的變化。計算結果顯示多硫化物電解質可以穩定地吸附在BNG表面上，且大部分的多硫化物電解質皆可以分解成負一價的陰離子（Sn-1）和負二價的陰離子（Sn-2），其中以形成S2-1, S3-1 和 S4-1陰離子為強烈的放熱反應。因此可以得知硼氮共摻雜石墨烯也適合應用在量子點電池中，並取代傳統常用的對電極材料。此外，本研究也集結上述對於多硫化物和對電極材料的研究知識，並將其應用在鋰硫電池的陰極材料中。在本研究的第六部分中，利用理論計算探討含氮陰極材料 (polyacrylonit

rile, cPAN) 與多硫化物的作用關係，並計算硫化物 (S2) 在cPAN表面上生成碳硫鍵和氮硫鍵的反應機制。計算結果顯示，碳硫鍵的生成為熱力學控制；氮硫鍵的生成為動力學控制。藉由理論計算和實驗數據 (固態核磁共振光譜和X射線光電子能譜) 的結合，提出許多有力證據來合理解釋多硫化物與含氮陰極材料中形成的氮硫鍵。本研究綜述了電場效應和電荷效應和層狀結構對於摻雜石墨烯的影響，為進一步探究其在DSSCs和QDSCs中的對電極應用提供借鏡，並對於鋰硫電池中的含氮陰極材料提出重要且創新的結果與發現。然而也期許藉由理論計算的輔助，可以為當代材料製程科技帶來更多重要且實惠的資訊。