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GRAPHITE OXIDE AND/OR GRAPHENE PREPARATION METHOD
(2014-08-07)
WEI KUNG-HWA
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DANG VAN THANH
A graphite oxide or graphene preparation method includes providing a plasma electrolytic apparatus, where an electrolytic solution is provided and a graphite electrode is configured as a cathode of the plasma electrolytic apparatus; and providing a cathodic current so as to initiate a plasma electrolytic process at the graphite cathode to obtain graphite oxide or graphene. The graphite oxide can be synthesized through plasma electrolytic processing at relatively low temperature under atmospheric pressure within a very short period of time, without the need for concentrated acids or strong oxidizing agents. The present invention may prepare graphite oxide with plasma electrolytic process directly from graphite, without requiring any prior purification. This plasma electrolytic process of the present invention is quite promising and provided with advantages such as low cost, simple setup, high efficiency, and environmental friendliness.
以分子建構含石墨烯電極之高分子太陽能電池之界面與形態( I )
(2011)
韋光華
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WEI KUNG-HWA
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國立交通大學材料科學與工程學系（所）
本計畫目前3個主要之創新(i)合成新穎予體-受體共軛高分子供有機太陽能電池使用(ii)以添加劑調整主動層之型態使得元件最佳化(iii)製成石墨烯陽極並置入有機太陽能電池元件。(i)我們合成一個新的共軛高分子，PDTTTPD，此高分子結合2,5-di-(thiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene與thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione兩個單元，並展現出高度的結晶性與良好的熱穩定度。光伏元件以高分子PDTTTPD與[6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester(PC71BM)在1:1混合重量比的條件下製作，光電轉換效率達5.1％。( Chem. Commun., 2011, 47, 5064； IF=5.7)我們成功合成新的共軛高分子，PBDTBO，係由benzo[1,2-b:4,5- b’]dithiophene(BDT)與5,6-bis(octyloxy)benzo[c][1,2,5]-oxadiazole (BO)兩單元所組成。此高分子具有良好溶解度，同時最高電子填滿軌域(HOMO)位於較低能階。光伏元件以高分子PBDBO與PC61BM在混合重量比1:1的條件下製作，光電轉換效率達5.7%。(Chem. Commun., 2011, 47, 8877； IF=5.7)我們利用施蒂勒反應(Stille coupling)聚合法合成一系列具有結晶性的低能系共軛高分子--- PTHBO，PBTTBO，PTTTBO。此系列高分子利用多電子基團Thiophene(TH), 2,2-bithiophene(BT), thieno[3,2-b]thiophene(TT)與缺電子基團2,1,3-benzooxadiazole(BO)進行共聚而得。所有高分子對碳球的能階偏移(energy offsets)足夠進行有效的電荷轉移，同時最高電子填滿軌域(HOMO)也都具有較低的能階(-5.7eV)。所有高分子均呈現良好的熱穩定性，高度結晶性及寬廣的吸收光譜。因此這些高分子與碳球形成的塊狀光伏元件，其開路電壓(Voc)可達1.02V。此外以PTTTBO與PC61BM混合(1:1, w/w)，並利用添加劑1,8-二碘辛烷(DIO, 0.5 vol%)製成之光伏元件，在AM1.5G的模擬光源下轉換效率達5.3%。(Macromolecules, 2011, 44, 9115； IF=5.7)。(ii)我們證實以PBTTTPD/PC71BM(1:1.5, w/w)為主動層的光伏元件，在旋轉塗佈的過程中可藉由選擇適當鏈長的添加劑(1,6-二碘己烷, DIH)，使元件由5%轉換效率增加達到7.3%，整體增幅45%。同時我們藉由同步輻射的掠角入射X光進行小角與廣角散射實驗(GIWAXS/GIWAXS)，並結合穿透式電子顯微鏡分析，證實添加劑DIH不僅促進高分子結晶性(在薄膜平行方向(in-plane)與薄膜垂直方向(out-of-plane)，分別增加3.6與2.4倍)，也可以降低PC71BM聚集物的平均大小，從150nm減至30nm。(Adv. Mater., 2011, 23, 3315； IF=10.8)(iii)我們以一層接著一層的方法，將tetracyanoquinodimethane(TCNQ)置於層與層的石墨烯之間當成p型參雜，製作一多層的石墨烯薄膜作為太陽能電池之陽極。我們以此多層石墨烯/TCNQ薄膜構成之陽極製作P3HT/PC61BM的光伏元件，並進行特性量測。結果發現利用三層石墨烯夾兩層TCNQ構成之陽極所製作的光伏元件具有最佳光電轉換效率(2.58%)。此石墨烯薄膜製成之陽極因高電導率與穿透度在次世代軟性元件中具有相當高的吸引力。(ACS Nano accepted； DOI: 10.1021/nn301721q； IF= 9.8)
以分子建構含石墨烯電極之高分子太陽能電池之界面與形態( II )
(2012)
韋光華
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WEI KUNG-HWA
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國立交通大學材料科學與工程學系（所）
以分子建構含石墨烯電極之高分子太陽能電池之界面與形態( III )
(2013)
韋光華
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WEI KUNG-HWA
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國立交通大學材料科學與工程學系（所）
兩岸共同合作重點項目(三):以磁場及光場技術探討聚合物太陽能電池光電轉換之機制
(2013)
韋光華
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WEI KUNG-HWA
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國立交通大學材料科學與工程學系（所）
本項目將以國立交通大學、大陸華中科技大學、大陸山東大學互補之學術研究優勢和先進實驗平台為基礎。利用有效實驗方法-光電流磁場效應和光誘導介電效應，揭示控制高分子太陽能電池內部光電轉換過程的關鍵參數，建立有效理論模型，提出調控高分子太陽能電池光-電轉換中光電增益和損耗過之新概念，同時利用化學合成和元件製備技術，透過調控分子界面和元件界面發展高效高分子光電材料和太陽能電池，具體研究目標包括︰(i)合成新穎的予體-受體共軛高分子材料；(ii)揭示分子的能量和極化參數對開路電壓、短路電流和填充因子的影響規律；(iii) 利用分子界面和元件界面控制光吸收、短路電流、開路電壓和填充因子中的損耗過程；(iv) 建立理論模型來描述調控光電過程的關鍵參數；開發出先進的光電高分子和高效率高分子太陽能電池
兩岸共同合作重點項目(三):以磁場及光場技術探討聚合物太陽能電池光電轉換之機制
(2012)
韋光華
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WEI KUNG-HWA
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國立交通大學材料科學與工程學系（所）
本項目將以國立交通大學、大陸華中科技大學、大陸山東大學互補之學術研究優勢和先進實驗平台為基礎。利用有效實驗方法-光電流磁場效應和光誘導介電效應，揭示控制高分子太陽能電池內部光電轉換過程的關鍵參數，建立有效理論模型，提出調控高分子太陽能電池光-電轉換中光電增益和損耗過之新概念，同時利用化學合成和元件製備技術，透過調控分子界面和元件界面發展高效高分子光電材料和太陽能電池，具體研究目標包括︰(i)合成新穎的予體-受體共軛高分子材料；(ii)揭示分子的能量和極化參數對開路電壓、短路電流和填充因子的影響規律；(iii) 利用分子界面和元件界面控制光吸收、短路電流、開路電壓和填充因子中的損耗過程；(iv) 建立理論模型來描述調控光電過程的關鍵參數；開發出先進的光電高分子和高效率高分子太陽能電池
兩岸共同合作重點項目(三):以磁場及光場技術探討聚合物太陽能電池光電轉換之機制
(2011)
韋光華
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WEI KUNG-HWA
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國立交通大學材料科學與工程學系（所）
本項目將以國立交通大學、大陸華中科技大學、大陸山東大學互補之學術研究優勢和先進實驗平台為基礎。利用有效實驗方法-光電流磁場效應和光誘導介電效應，揭示控制高分子太陽能電池內部光電轉換過程的關鍵參數，建立有效理論模型，提出調控高分子太陽能電池光-電轉換中光電增益和損耗過之新概念，同時利用化學合成和元件製備技術，透過調控分子界面和元件界面發展高效高分子光電材料和太陽能電池，具體研究目標包括︰(i)合成新穎的予體-受體共軛高分子材料；(ii)揭示分子的能量和極化參數對開路電壓、短路電流和填充因子的影響規律；(iii) 利用分子界面和元件界面控制光吸收、短路電流、開路電壓和填充因子中的損耗過程；(iv) 建立理論模型來描述調控光電過程的關鍵參數；開發出先進的光電高分子和高效率高分子太陽能電池
共軛高分子/二維奈米無機複合材料之形態與光電性質研究
(2015)
韋光華
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WEI KUNG-HWA
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國立交通大學材料科學與工程學系（所）
高分子太陽能電池在近十年來的發展有著相當顯著的進步，此乃歸功於導電高分子、元件結構、與元件內界面工程這三方面的發展。直至目前為止，以高分子為P型，碳球為N型之異質皆面(bulk heterojunction)高分子光伏電池(單電池)最高效率為9%。但由於這些奈米碳球分佈於高分子內之形態不容易控制，況且吸光性不佳而無法做為互補吸光之材料。所以除了目前主流的高分子/富勒烯衍生物之混成大陽能電池，以高分子/無機物混成的太陽電池因其具有高電子遷移率、優良的物理和化學穩定性，使其成為熱門的研究對象。目前(i) C60-bodipy dyads (ii) CH3NH3PbX3 (iii) MoS2因其可見光吸收性佳而引起高度關注，此外本團隊過去發展出有潛力的高光電轉換效率共軛高分子，以thieno[3,4- c ]pyrrole-4,6-dione}(TPD)和benzooxadiazole (BO) 為共軛高分子(D-A type)中的acceptor，合成出PDTTTPD、PBTTPD和PBDTTBO三支高分子。預計第一年以這三支高分子混和C60-bodipy dyads做為主動層，第二年將主動層改為高分子混和CH3NH3PbX3 (X = Cl, Br or I)，第三年的部分則考慮將高分子與二硫化鉬(MoS2)混合做為主動層。目前本實驗室在元件製作上已有相當好的低水、氧環境，元件製作過程可不受大氣中雜質以及水、氧的影響。因此，我們有能力執行此三年期的計畫。在計畫目標上，目的在將本實驗室已開發出的高效率共軛高分子分別與碳60-bodipy dyads、CH3NH3PbI3 或是MoS2 整合於一太陽能元件中，藉以結合高分子與無機物雙方優點來提升元件效率。
共軛高分子/二維奈米無機複合材料之形態與光電性質研究
(2016)
韋光華
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WEI KUNG-HWA
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國立交通大學材料科學與工程學系（所）
共軛高分子/二維奈米無機複合材料之形態與光電性質研究
(2014)
韋光華
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WEI KUNG-HWA
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國立交通大學材料科學與工程學系（所）
含有多立面倍半矽氧烷寡聚體或樹枝狀側鏈之發光高分子之合成與研究(II)
(2006)
韋光華
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WEI KUNG-HWA
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交通大學材料科學與工程系
奈米結構異質接面高分子太陽能電池之材料開發及元件設計(I)
(2008)
韋光華
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WEI KUNG-HWA
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國立交通大學材料科學與工程學系(所)
本計畫主要的目的在於發展具高光電轉換效率之奈米結構異質接面高分子太陽能電池之材料開發及新穎元件設計製作與特性研究，工作範圍包含前瞻性包含三方面，首先在材料方面為：(a)合成具多重吸收及低能隙之高分子：合成主鏈(donor)及側鏈(acceptor)具不同吸收波長之高分子，藉由引進不同能隙之側鏈基團進而調控共軛高分子之能隙，增加吸光範圍、電荷分離及傳輸效率，使元件之光電流大幅提升，而提升光轉換成電之能量效率，或合成主鏈含共軛(donor-acceptor)之低能隙高分子以增加吸光範圍。在元件內部結構方面為：(b)產生垂直奈米結構P-N 異質接面：由於有機材料結晶度較低，於吸光後所產生激子之擴散距離僅為20 奈米而且電子與電洞在有機材料之傳導速度為在矽半導體之百分之一，必須根據奈米技術設計元件結構以增加異質接合介面面積和增加電荷傳送之效率。其中以獨立傳送電子與電洞之材料P-Njunction 交錯結構以避免電子與電洞重新結合之機會為最理想之結構，因而形成具方向性並具能隙設計之奈米複合材料結構，並且(c)合成表面電漿效應之金屬奈米顆粒，表面電漿子模式會侷限在金屬表面附近，形成高度增強的近場，表面增強的特性可利用在光學元件上增強吸收，對於光電元件的應用是很理想的材料，以及(d)發展多層元件製程及最佳化：多層元件(tandem cell) 在增加元件效率之方法即經由串聯兩個或數個分別具有不同吸光光譜之電池，將其堆疊起來，使光通過吸光層的路徑加長而且吸收波長不同，即可增加整體元件之吸光範圍及開路電壓。另外於元件結構奈米化後進行元件最佳化以提昇元件之效率。在元件性能中，共軛高分子之能隙及奈米結構形態控制為最重要的因素。期望藉由這些材料開發及元件設計之發展，三年後將能量轉換效率(Power conversion efficiency)提高至8%。
奈米結構異質接面高分子太陽能電池之材料開發及元件設計(II)
(2009)
韋光華
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WEI KUNG-HWA
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國立交通大學材料科學與工程學系(所)
奈米結構異質接面高分子太陽能電池之材料開發及元件設計(III)
(2010)
韋光華
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WEI KUNG-HWA
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國立交通大學材料科學與工程學系（所）
新穎二維施體-受體共軛高分子之合成與應用於太陽能電池
(2015)
韋光華
;
WEI KUNG-HWA
;
國立交通大學材料科學與工程學系（所）
新穎二維施體-受體共軛高分子之合成與應用於太陽能電池
(2014)
韋光華
;
WEI KUNG-HWA
;
國立交通大學材料科學與工程學系（所）
新穎二維施體-受體共軛高分子之合成與應用於太陽能電池
(2016)
韋光華
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WEI KUNG-HWA
;
國立交通大學材料科學與工程學系（所）
新穎材料開發關鍵核心設施計畫---有機太陽能電池新穎材料與元件製作及量測服務平台
(2009)
韋光華
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WEI KUNG-HWA
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國立交通大學材料科學與工程學系(所)
計畫中文摘要：本計畫主要在於建構一套完善的有機太陽能電池製程設備以及相關的分析設備，以提供給新材料開發者以及發展新穎元件結構者使用，並促使有機太陽能電池的研究發展可以往前更邁進一步。有機高分子太陽能電池方面，利用四支手套之手套箱串接兩隻手之手套箱形成手套箱串接系統，以提供足夠之低水、氧操作環境，並可以容許更多的製程在手套箱之優良環境內完成。再把熱蒸鍍機與手套箱串接系統進一步串接，形成一連貫式的製程設備，此中做法可允許元件製作過程不受大氣中雜質以及水、氧的影響，並且可以提供更多種類的金屬電極以及易氧化之高功函數電極製作環境，可以優化有機太陽能電池元件之效率。結合點針架台以提供一優良之高真空及溫度控制的電性量測環境，點針架台亦具有透明窗口可供光源之入射，有利於材料基礎光電性質分析，並協助元件特性分析及解決元件製程相關缺陷。有機染料敏化太陽能電池方面主要任務在於建立一個完整的DSSC元件製備與其相關光電特性量測之標準化平台，以便結合各界專家學者在關鍵材料的開發，在未來發展出高效率的DSSC元組件，並以達成DSSC之商品化為終極目標。計畫分為兩部分來執行，分別是染料敏化太陽能電池(DSSC)的元件製備平台以及DSSC的電子傳遞機制探討量測平台。其中前者包括了TiO2工作電極的製備、對電極的製備、元件的封裝與光電效能的量測平台之設立；而後者則包括了電子注入效率、電荷再結合與染料再生效率以及電荷收集效率量測平台的設立，結合自製的新材料以及雷射分析技術，建構一套染料敏化太陽能電池元件封裝及分析設備；建立無塵室提供完善的實驗環境，以利於元件製程的改善；購置表面粗度儀鑑定元件表面性質及四點探針探測平台分析元件電性，協助元件製程的優化；購置電子束蒸鍍系統，製作多樣化的金屬電極。計畫最終，在於建立國內有機太陽能電池標準化製程及先進光電性質分析設備，成為有機太陽能電池製程未來發展的原型，並促進有機太陽能電池的開發及新穎材料、元件之研究，在學術研究上以及業界商業化中成為領導者之一。 1.整合之必要性：包括總體目標、整體分工合作架構及相關性與整合程度。總目標為期望藉由架構新的儀器跟製程設備協助材料開發及元件設計之發展，兩年內將能量轉換效率(Power conversion efficiency)提高至8%。主要進行之工作為 (a)合成具多重吸收及低能隙之高分子：合成主鏈(donor)及側鏈(acceptor)具不同吸收波長之高分子，藉由引進不同能隙之側鏈基團進而調控共軛高分子之能隙，增加吸光範圍、電荷分離及傳輸效率，使元件之光電流大幅提升，而提升光轉換成電之能量效率，或合成主鏈含共軛(donor- acceptor)之低能隙高分子以增加吸光範圍。(b)產生垂直奈米結構P-N異質接面：由於有機材料結晶度較低，於吸光後所產生激子之擴散距離僅為20奈米而且電子與電洞在有機材料之傳導速度為在矽半導體之百分之一，必須根據奈米技術設計元件結構以增加異質接合介面面積和增加電荷傳送之效率。其中以獨立傳送電子與電洞之材料P-N交錯結構以避免電子與電洞重新結合之機會為最理想之結構，因而形成具方向性並具能隙設計之奈米複合材料結構。(c)表面電漿效應之金屬奈米顆粒合成，表面電漿子模式會侷限在金屬表面附近，形成高度增強的近場，表面增強的特性可利用在光學元件上增強吸收，應用於各類表面光譜的測量上。(d)發展多層元件製程及最佳化：多層元件(tandem cell)在增加元件效率之方法即經由串聯兩個或數個分別具有不同吸光光譜之電池，將其堆疊起來，使光通過吸光層的路徑加長而且藉由各層材料吸收太陽光不同波段，即可增加整體元件之吸光範圍及因為串接產生接近雙倍化之開路電壓。及(e)另外於元件結構奈米化後進行元件最佳化以提昇元件之效率；在元件性能中，共軛高分子之能隙及奈米結構形態控制為最重要的因素，以及引入更多樣化的電極材料，藉由多方嘗試以提昇元件效率達到最高。(f)研究染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell，簡稱DSSC)也是目前有機太陽能電池最受注目的領域，輔以光物理分析與光電測量，並建立雷射與其他光學量測設備，在此計畫中負責雷射光電性質分析與量測、奈米光電材料與表面分析、染料敏化太陽能電池元件結構開發及分析設備架設。(g)最後結合高分子太陽能電池的研究和染料敏化太陽能電池的研究，期望可以把有機太陽能電池的效率雙雙推向新的高峰。 2.人力配合度：包括計畫主持人協調領導能力、計畫共同主持人之專業能力及合作諧和性。計畫主持人韋光華教授在光電用高分子與無機奈米顆粒棒的合成分析以及元件製作方面有相當多極佳的成果與經驗，並於2003年獲得國科會傑出研究獎。近五年韋教授有超過40篇SCI期刊論文發表，更在材料與化學領域中有3篇SCI期刊論文received citations in the top 1%。韋教授隨後連續主持共二期奈米國家型科技計畫，目前正主持第二期計畫「高效率光電轉換用自身組織功能性奈米結構材料與元件之前瞻研究」。在行政上，韋教授除了擔任交大材料系系主任(2008/2~今)，並曾擔任同步輻射中心用戶執行委員會的主席，並且擔任2007年材料年會的總幹事，因此絕對具有相當好的領導與協調能力。總計畫主持人韋光華教授在光電用高分子與無機奈米顆粒棒合成分析以及高分子太陽能電池元件製作方面，都具有相當成熟之技術，並且利用原子力顯微鏡（AFM）、穿透式電子顯微鏡（TEM）以及同步輻射設備分析元件內部結構及特性；在此計畫中計畫主持人韋光華教授將負責高分子太陽能電池元件開發及製程分析設備架設。共同主持人刁維光教授目前任職於交大應用化學系擔任副主任一職，專長在研究染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell，簡稱DSSC)，輔以光物理分析與光電測量，並建立雷射與其他光學量測設備，在此計畫中共同主持人刁維光教授將負責雷射光電性質分析與量測、奈米光電材料與表面分析、染料敏化太陽能電池元件結構開發及分析設備架設。 3.資源之整合：所需各項儀器設備之共用情況及研究經驗與成果交流情況。將提供原本有之設備給子計畫進行研究，對於計畫內各教授研究室都會互相派出數名研究生學習並且訓練之，並在每兩星期進行進度會議討論，所採購之貴重儀器將集中置於材料系系館、應化系館及交大奈米中心無塵室以利共同使用。高分子太陽能電池製程設備以及染料敏化太陽能電池分析設備可以互相交互使用，都可以互補。太陽能電池分析設備皆可以互用，以互相提供有機太陽能電池元件光電特性之分析，以利釐清製程與元件特性中的相互影響因素，促進先進製程開發與新穎材料發明。 4.申請機構或其他單位之配合度。材料系、應化系、同步輻射中心、交大奈米科技中心有分析型貴重儀器可以提供使用，以及交大奈米中心的無塵室也提供放置製程儀器的空間，這些單位的配合使計畫執行更加有利。 5.預期綜合效益。我們預期可以產生高效率之異質接合有機太陽能電池以及高效率之染料敏化太陽能電池，並在1年後我們預期可產生impact factor超過4.0 之期刊論文約6篇，並訓練4位博士班研究生及4位碩士班研究生。
有機太陽能電池用P型新穎共軛高分子材料之合成與分析
(2014)
韋光華
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WEI KUNG-HWA
;
國立交通大學材料科學與工程學系（所）
本國合計畫預期合成與分析新穎低能隙P-型共軛高分子材料並與加州大學洛杉磯分校所合成之新穎富勒烯衍生物滲合後形成異質接面太陽能電池之主動層。並以同步輻射光源以掠角方式進行小角與廣角X-光散射及三維穿透式電子顯微鏡進行主動層之形態分析而加洲大學將進行太陽能電池元件之光電分析及物理性質之特性。本計畫第一年為合成低能隙(介於1.2至1.8電子伏特)主鏈型施體-受體共軛高分子並與富勒烯衍生物(PCBM, PC71BM, ICBA)等滲合製成光伏元件。預期第一年結束後元件光電轉換效率可達7％。第二年為合成低能隙之主鏈型施體側接交聯基-受體共軛高分子並與加州大學所合成之新穎富勒烯衍生物滲合以加熱或照光方式產生具交聯性之光伏元件之主動層，預期第二年結束後元件效率可達8％。第三年為合成低能隙之主鏈型施-雙受體側接交聯基之共軛高分子與加州大學所合成之新穎富勒烯衍生物滲合後製成光伏元件，預期第三年結束後元件效率可達10％。
有機太陽能電池用P型新穎共軛高分子材料之合成與分析
(2013)
韋光華
;
WEI KUNG-HWA
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國立交通大學材料科學與工程學系（所）
本國合計畫預期合成與分析新穎低能隙P-型共軛高分子材料並與加州大學洛杉磯分校所合成之新穎富勒烯衍生物滲合後形成異質接面太陽能電池之主動層。並以同步輻射光源以掠角方式進行小角與廣角X-光散射及三維穿透式電子顯微鏡進行主動層之形態分析而加洲大學將進行太陽能電池元件之光電分析及物理性質之特性。本計畫第一年為合成低能隙(介於1.2至1.8電子伏特)主鏈型施體-受體共軛高分子並與富勒烯衍生物(PCBM, PC71BM, ICBA)等滲合製成光伏元件。預期第一年結束後元件光電轉換效率可達7％。第二年為合成低能隙之主鏈型施體側接交聯基-受體共軛高分子並與加州大學所合成之新穎富勒烯衍生物滲合以加熱或照光方式產生具交聯性之光伏元件之主動層，預期第二年結束後元件效率可達8％。第三年為合成低能隙之主鏈型施-雙受體側接交聯基之共軛高分子與加州大學所合成之新穎富勒烯衍生物滲合後製成光伏元件，預期第三年結束後元件效率可達10％。