奈米材料的應用

由於奈米材料製備方式五花八門，所製備出來的產物型態眾多，其顯示出來 的特性亦兼具有多樣性，因此可應用之層面相當廣泛，無論是應用在生活方面或 生物醫療等領域，皆有極大的突破與貢獻，以下提出兩大應用奈米材料所做出效 能上的突破〆

1.3.1 太陽能電池（solar cell）

在面對因全球高度工業化而引起溫室效應與石油供需失調等環境和能源危 機時，追求潔淨的新能源時代已經成為明日的必頇，因應而生的是回頭去探討研 究生生不息的太陽光應用。經過長期的努力，太陽能產業不斷往前邁進，但是在 發展過程當中，光電轉換效率似乎遭遇瓶頸（如圖 1.2），無法有效突破。然而藉 由奈米材料特性的研究與了解，科學家提出了許多新的想法與創新，試圖提高光 電轉換效率。

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圖 1.2 太陽能電池光電轉換效率演進圖表 [11]。

西元 1994 年 Jürgen H. Werner 等人 [12]，提出一個新穎的物理圖像〆奈米 材料多重激子產生（Multiple Exciton Generation, MEG）的可能性。MEG 主要是 指當光子被吸收後，可以生成一個以上的電子電洞對，因此過去以熱形式散逸的 能量可以被有效應用。由於理論的推陳出新，因此實驗的腳步也快速發展，其中 由於量子點的合成技術漸趨成熟且量子效應新穎，有助於生產高轉換效率（如圖 1.3）且低成本的太陽能電池，研究成就與效能不斷突破以往，目前最受熱烈探 討的材料硒化鉛 [13]、硒化鎘 [14]、硫化鉛 [15]、碲化鉛 [16]等量子點，都是 備受注目的太陽能材料未來新星。

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圖 1.3 材料量子產率（Quantum yield）對光子能量與能帶比之關係圖 [16]。

1.3.2 熱電元件

由於近代工業與人類經濟活動的發展，大量地消耗地球的石化燃料資源，同 時伴隨排放的大量二氧化碳也形成溫室效應，是造成整體氣候異常的主要原因之 一。除此之外，在運用這些資源的同時，由於能量無法百分之百完全轉換，處處 可見如工廠、汽車引擎及家電使用排放的廢熱，因此將廢熱回收重新利用，也開 始受到相當大的重視。

熱電材料是一種能將電能與熱能相互轉換的材料，此種材料能夠在足夠的溫 差下產生電動勢，達到以熱生電的現象。在另一方面也能夠在供給一電流下產生 吸熱或放熱的效應，進而達到以電生熱或製冷的現象。其中熱電材料的熱電優質 係數（Figure of Merit, ZT）主要決定了元件熱電轉換之效率，效率定義為 ZT = S²σT/（κe+κL），其中 S 為熱電動勢（thermopower）或稱西貝克係數（Seebeck coefficient）、σ 為電導率、T 為絕對溫度、κe與κL分別為電子與聲子的熱傳導率。

由此可知，高效率的熱電材料需要具備高的導電率之外，還需要具有低的熱傳導 率。

目前商業化的熱電材料主要以碲化鉍系列（Bi-Sb-Te-Se）為主，其 ZT 值通

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常落在 0.8~1 之間，換算成熱電元件轉換效率大約在 2~5%，然而如此的轉換效 率仍不盡理想。西元 1993 年 L. D. Hicks 等人 [17] 提出二維奈米結構之量子效 應有助於 ZT 值的提升，並且發現當三碲化二鉍的侷限維度為 1 奈米時，其 ZT 值將是塊材的三倍。此外研究發現，有些熱電材料製成奈米結構或超晶格之後，

由於量子效應的產生，因此具備較高之熱電動勢 S 與優質係數 ZT [18-20]，如 Bi2Te3/Sb2Te3超晶格之 ZT 值可達 2.5々這些發表使得熱電材料之實用性嶄露了一 絲曙光（如圖 1.4），也帶動了全球應用量子結構在熱電材料上研究之熱潮。

圖 1.4 熱電材料優質係數與發展時間關係圖 [21]。

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