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研究生: 謝宗准
Zong-zhun Xie
論文名稱: 利用化學水浴法鍍製二氧化鈦光電極薄膜之研究
The study of titanium dioxide photoelectrode thin film by chemical bath deposition
指導教授: 洪勵吾
Lih-Wu Hourng
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 能源工程研究所
Graduate Institute of Energy Engineering
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 102
中文關鍵詞: 二氧化鈦光電化學光電極化學水浴法
外文關鍵詞: Photoelectrochemical, Titanium Dioxide, Chemical Bath Deposition, Photoelectrode
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  • 摘要
    本研究利用化學水浴法在ITO導電玻璃上鍍製出二氧化鈦薄膜,並改變硼酸濃度、水浴溫度、鍍膜層數、熱處理溫度及熱處理氣氛,用以探討薄膜的晶體結構、表面型態、光學性質及光電化學性質。利用光電化學原理於水溶液中吸收太陽能,並將其解離成氫氣應用於發電系統上。
    本實驗在改變硼酸濃度下,發現增加硼酸濃度會產生過多的氫氧根離子(OH-),過多的氫氧根離子會影響二氧化鈦薄膜的生長,導致二氧化鈦薄膜有脫落的現象發生,使得薄膜成形性質變差,且光電流也會降低。鍍膜層數的增加會使薄膜結晶強度增強,當薄膜內外層結構形成之後,鍍膜層數增加至一定程度,會使得薄膜沉積速率開始下降,表面也會越來越粗糙。在真空下燒結,由於缺少氧氣,會使得薄膜於再結晶下形成二氧化鈦時,無法將薄膜完全轉化成二氧化鈦。另外還改變熱處理溫度與水浴溫度對薄膜的影響;實驗結果顯示,在硼酸濃度0.05M、水浴溫度90℃、鍍膜層數2層、熱處理溫度500℃、熱處理氣氛-空氣下,擁有較好的光暗電流值,在無施加偏壓下,其值為126µA/cm2,相當於0.126mA/cm2。


    ABSTRACT
    In this study, titanium dioxide thin films are deposited on ITO conductive glass substrates with chemical bath deposition (CBD). By changing concentration of boric acid, temperature of bath, number of depositon layers, temperature of annealing and different atmospheres in annealing, the distructure of crystal, surface morphology, and optical and pholoelectrochemical properties of thin films are investigated. The principle of photoelectrochemical is applied in aqueous solution by absorbing solar energy and to convert water into hydrogen, which can then be used in electric generating systems.
    It is found that hydroxide ions would be exceeded if concentration of boric acid increases. It would affect the growth of titanium dioxide thin film and result in corrosion and poor forming property of thin films, and the corresponding photocurrent would be thus reduced. The crystaling strength is increased as the number of deposition layers increases. Since the thin film structure is formed, the deposition rate would be decreased as the number of deposition layers achieves in some extent and the surface would be rougher. If the annealing is operated in the vacuum atmosphere, the thin film is unable to form titanium dioxide completely because of the lack of oxygen. Moreover, the influences of annealing and bath temperature are also discussed. The results showed that photocurrent has a better value at the circumstance as following: 0.05M of boric acid concentration, 90℃ of bath temperature, 2 of the number of deposition layers, 500℃ of annealing temperature and air of annealing atmosphere. The photocurrent is 126µA/cm^2, i.e. 0.126 mA/cm^2, without applying bias voltage.

    目錄 摘要 I ABSTRACT II 目錄 III 表目錄 VI 圖目錄 VII 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 光電化學產氫原理 2 1.3 化學水浴沉積法(Chemical bath deposition,CBD) 3 1.3.1 化學水浴沉積法沉積氧化物之化學反應機制 4 1.3.2 化學水浴沉積法之薄膜成長機制 5 1.3.3 化學水浴沉積法之薄膜成長機制 6 1.4 文獻回顧 7 1.4.1 光觸媒文獻回顧 7 1.4.2 光觸媒文獻回顧 8 1.4.3 二氧化鈦文獻回顧 9 1.5 研究動機與目的 11 第二章 實驗步驟與研究方法 13 2.1 實驗參數設定 13 2.2 實驗藥品與實驗裝置 13 2.2.1 實驗藥品 13 2.2.2 實驗基材 14 2.2.3 實驗設備 15 2.3 實驗步驟 16 2.3.1 基材裁切、清洗與組裝 17 2.3.2 反應溶液配製與鍍液方法 17 2.3.3 試片完成之後處理 (電極封裝) 18 2.4 薄膜物性量測 18 2.4.1 X光粉末繞射儀 19 2.4.2 UV-Visble (紫外/可見光光譜儀) 20 2.4.3 FE-SEM (場發掃描式電子顯微鏡) 20 2.5 薄膜電性量測 21 第三章 結果與討論 23 3.1 不同硼酸濃度對薄膜的影響 24 3.2 不同水浴溫度對薄膜的影響 26 3.3 不同鍍膜層數對薄膜的影響 28 3.4 不同熱處理溫度對薄膜的影響 30 3.5 不同熱處理氣氛對薄膜的影響 32 第四章 結論與未來展望 34 4.1 結論 34 4.2 未來展望 35 參考文獻 36 表目錄 表2-1實驗參數設定 42 表2-2實驗藥品 43 表3-1改變硼酸濃度實驗參數設定 44 表3-2各參數之薄膜厚度 45 表3-3改變水浴溫度實驗參數設定 46 表3-4改變鍍膜層數實驗參數設定 47 表3-5改變熱處理溫度實驗參數設定 48 表3-6改變熱處理氣氛實驗參數設定 49 圖目錄 圖1-1 光電化學產氫原理示意圖[3] 50 圖1-2 化學水浴沉積法示意圖[4] 50 圖1-3 不同的成核成長機制[12] 51 圖1-4 CBD薄膜成長之三個階段[10] 51 圖2-1 封裝完成的ITO玻璃基材示意圖 52 圖2-2 實驗流程圖 53 圖2-3 基材清洗流程圖 54 圖2-4 X-射線繞射裝置示意圖[37] 54 圖2-5 X射線繞在晶格表面產生Bragger繞射[37] 55 圖2-6 SEM構造示意圖[37] 55 圖3-1 硼酸濃度0.05M時,光電極薄膜的SEM圖(X3000) 56 圖3-2 硼酸濃度0.08M時,光電極薄膜的SEM圖(X3000) 56 圖3-3 硼酸濃度0.1M時,光電極薄膜的SEM圖(X3000) 57 圖3-4 硼酸濃度0.15M時,光電極薄膜的SEM圖(X3000) 57 圖3-5 不同硼酸濃度時,光電極薄膜的XRD圖 58 圖3-6 不同硼酸濃度時,光電極薄膜的穿透率光譜圖 58 圖3-7 不同硼酸濃度時,光電極薄膜的反射率光譜圖 59 圖3-8 不同硼酸濃度時,光電極薄膜的吸收係數光譜圖 59 圖3-9 不同水浴溫度時,光電極薄膜的能隙值圖 60 圖3-10 硼酸濃度0.05M時,光電極薄膜的光暗電流圖 60 圖3-11 硼酸濃度0.08M時,光電極薄膜的光暗電流圖 61 圖3-12 硼酸濃度0.1M時,光電極薄膜的光暗電流圖 61 圖3-13 硼酸濃度0.15M時,光電極薄膜的光暗電流圖 62 圖3-14 不同水浴溫度時,光電極薄膜的XRD圖 62 圖3-15 水浴溫度70℃時,光電極薄膜的SEM圖(X10000) 63 圖3-16 水浴溫度80℃時,光電極薄膜的SEM圖(X10000) 63 圖3-17 水浴溫度90℃時,光電極薄膜的SEM圖(X10000) 64 圖3-18 水浴溫度70℃時,光電極薄膜的SEM剖面圖 64 圖3-19 水浴溫度80℃時,光電極薄膜的SEM剖面圖 65 圖3-20 水浴溫度90℃時,光電極薄膜的SEM剖面圖 65 圖3-21 不同水浴溫度時,光電極薄膜的穿透率光譜圖 66 圖3-22 不同水浴溫度時,光電極薄膜的反射率光譜圖 66 圖3-23 不同水浴溫度時,光電極薄膜的吸收係數光譜圖 67 圖3-24 不同水浴溫度時,光電極薄膜的能隙值圖 67 圖3-25 水浴溫度70℃時,光電極薄膜的光暗電流圖 68 圖3-26 水浴溫度80℃時,光電極薄膜的光暗電流圖 68 圖3-27 水浴溫度90℃時,光電極薄膜的光暗電流圖 69 圖3-28 不同鍍膜層數時,光電極薄膜的XRD圖 69 圖3-29 鍍膜層數1層時,光電極薄膜的SEM圖(X10000) 70 圖3-30 鍍膜層數2層時,光電極薄膜的SEM圖(X10000) 70 圖3-31 鍍膜層數3層時,光電極薄膜的SEM圖(X10000) 71 圖3-32 鍍膜層數4層時,光電極薄膜的SEM圖(X10000) 71 圖3-33 鍍膜層數與厚度關係圖 72 圖3-34 不同鍍膜層數時,光電極薄膜的穿透率光譜圖 72 圖3-35 不同鍍膜層數時,光電極薄膜的反射率光譜圖 73 圖3-36 不同鍍膜層數時,光電極薄膜的吸收係數光譜圖 73 圖3-37 不同鍍膜層數時,光電極薄膜的能隙值圖 74 圖3-38 鍍膜層數1層時,光電極薄膜的光暗電流圖 74 圖3-39 鍍膜層數2層時,光電極薄膜的光暗電流圖 75 圖3-40 鍍膜層數3層時,光電極薄膜的光暗電流圖 75 圖3-41 鍍膜層數4層時,光電極薄膜的光暗電流圖 76 圖3-42 熱處理升溫速率圖 76 圖3-43 不同熱處理溫度時,光電極薄膜的XRD圖 77 圖3-44 熱處理溫度400℃時,光電極薄膜的SEM圖(X30000) 77 圖3-45 熱處理溫度500℃時,光電極薄膜的SEM圖(X30000) 78 圖3-46 熱處理溫度600℃時,光電極薄膜的SEM圖(X30000) 78 圖3-47 熱處理溫度700℃時,光電極薄膜的SEM圖(X30000) 79 圖3-48 不同熱處理溫度時,光電極薄膜的穿透率光譜圖 79 圖3-49 不同熱處理溫度時,光電極薄膜的反射率光譜圖 80 圖3-50 不同熱處理溫度時,光電極薄膜的吸收係數光譜圖 80 圖3-51 不同熱處理溫度時,光電極薄膜的能隙值圖 81 圖3-52 熱處理溫度400℃時,光電極薄膜的光暗電流圖 81 圖3-53 熱處理溫度500℃時,光電極薄膜的光暗電流圖 82 圖3-54 熱處理溫度600℃時,光電極薄膜的光暗電流圖 82 圖3-55 熱處理溫度700℃時,光電極薄膜的光暗電流圖 83 圖3-56 不同熱處理氣氛時,光電極薄膜的XRD圖 83 圖3-57 熱處理氣氛-空氣時,光電極薄膜的SEM圖(X10000) 84 圖3-58 熱處理氣氛-真空時,光電極薄膜的SEM圖(X10000) 84 圖3-59 不同熱處理氣氛時,光電極薄膜的穿透率光譜圖 85 圖3-60 不同熱處理氣氛時,光電極薄膜的反射率光譜圖 85 圖3-61 不同熱處理氣氛時,光電極薄膜的吸收係數光譜圖 86 圖3-62 熱處理氣氛-空氣時,光電極薄膜的光暗電流圖 86 圖3-63 熱處理氣氛-真空時,光電極薄膜的光暗電流圖 87

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