利用化學水浴法鍍製二氧化鈦光電極薄膜之研究

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謝宗准(Zong-zhun Xie) 查詢紙本館藏

畢業系所

能源工程研究所

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)

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摘要(中)

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。

摘要(英)

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.

關鍵字(中)

★ 二氧化鈦
★ 光電化學
★ 光電極
★ 化學水浴法

關鍵字(英)

★ Photoelectrochemical
★ Titanium Dioxide
★ Chemical Bath Deposition
★ Photoelectrode

論文目次

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

參考文獻

參考文獻
[1] 聯合國政府間氣候變化專門委員會，http://www.ipcc.ch/。
[2] A.Fujishim , K.Honda , ‘‘Electrochemical photolysis of water at a
semiconductor electrode ‘‘, Nature , Vol. 238 , pp. 37-38,
(1972).
[3] A.Kudo , Y.Miseki , ‘‘Heterogeneous photocatalyst
materials for water splitting ‘‘, Chemical Society Reviews , Vol.
38, pp. 253-278, (2009).
[4] 蔡佳霖, ‘‘以化學浴沉積法製備四元化合物光電極薄膜之研究‘‘,
國立中央大學能源工程研究所碩士論文 (2010) 。
[5] 方俊、王秀峰、程冰、繆凌波，微波輔助化學浴沉積法製備ZnO
薄膜，電子元件與材料，第25卷，第10期，pp.17-19 (2006)。
[6] 賴致遠，以化學浴沉積法合成氧化鋅奈米線及其特性分析，國立
成功大學化學工程研究所碩士論文 (2006) 。
[7] 王應名、張萌、徐鵬、劉洋文、李禾、徐飛，化學浴沉積法製備
ZnS薄膜，南昌大學學報，第30卷，第3期，pp.279-282 (2006) 。
[8] M.R.D. Guire , T.P.Niesen , ‘‘Review：deposition of ceramic thin
films at low temperatures from aqueous solutions‘‘ , Solid State Ionics , Vol. 151 , pp. 61-68, (2002).
[9] T.P.Niesen , M.R.D. Guire , ‘‘Review：Deposition of ceramic thin films at low temperatures from aqueous solutions‘‘ , Journal of Electroceramics , Vol. 6 , pp. 169-207, (2001).
[10] H.Y.Xu , H.Wang , T.N.Jin , H.Yan , ‘‘Rapid fabrication of luminescent Eu：YVO4 films by microwace-assisted chemical
solution deposition‘‘, Institute of Physics Publishing ,
Nanotechnology , Vol. 16 , pp. 65-69, (2005).
[11] H.Y.Xu , S.L.Xu, X.D.Li , H. Wang , ‘‘Chemical bath deposition of hausmannite Mn3O4 thin films ‘‘ , Applied Surface Science , Vol. 252 , pp. 4091-4096, (2006).
[12] P.O’Brien , J.McAleese , ‘‘Developing an understanding of the processes controlling the chemical bath deposition of ZnS and
CdS ‘‘ , Journal of Materials Chemistry , Vol. 8 , pp. 2309–2314, (1998).
[13] Y.Masuda , T.Sugiyama , W.S.Seo , K.Koumoto , ‘‘Deposition Mechanism of Anatase TiO2 on Self-Assembled Monolayers from an Aqueous Solution ‘‘ , Chemistry of Materials , Vol. 15 , pp. 2469-2476, (2003).
[14] A.M.More , T.P.Gujar , J.L.Gunjakar , C.D.Lokhande , O.S. Joo , ‘‘Growth of TiO2 nanorods by chemical bath deposition method ‘‘ , Applied Surface Science , Vol. 255 , pp. 2682–2687, (2008).
[15] B.R.Sankapal , S.D.Sartale , M.C.Lux-Steiner, A.Ennaoui ‘‘Chemical and electrochemical synthesis of nanosized TiO2 anatase for large-area photon conversion ‘‘ , Applied Surface Science , Vol. 9 , pp. 702–707, (2006).
[16] 張振昌, ‘‘化學水浴沉積法成長硫化鎘薄膜之研究‘‘,國立中山大學科學材料研究所碩士論文 (2006)
[17] M.O.Lopez , A.A.Garica , M.L.A.Aguilera , V.M.S.Resendiz , ‘‘Improved efficiency of the chemical bath deposition method during growth of ZnO thin films ‘‘ , Materials Research Bulletin , Vol. 38 , pp. 1241–1248, (2003).
[18] P.O'Brien , T.Saeed , J.Knowled , ‘‘Speciation and the nature of ZnO thin films from chemical bath deposition ‘‘ , Journal of Materials Chemistry , Vol. 6 , pp. 1135-1139, (1996)
[19] T.Saeed , P.O’Brien , ‘‘Deposition and characterisation of ZnO thin films grown by chemical bath deposition ‘‘ , Thin Solid Films , Vol. 271 , pp. 35-38, (1995)
[20] J.Ouerfelli , M.Regragui , M.Morsli , G.Djeteli , K.Jondo , C.Amory , G.Tchangbedji , K.Napo , J.C.Bern`ede , ‘‘Properties of ZnO thin films deposited by chemical bath deposition and post annealed ‘‘ , Journal of PhysicsD:Applied Physics , Vol. 39 , pp. 1954-1959, (2006)
[21] R.S. Mane, C.D. Lokhande , ‘‘Chemical deposition method for metal chalcogenide thin films ‘‘ , Materials Chemistry and Physics , Vol. 65 , pp. 1-31, (2000)
[22] T.Bak, J.Nowotny ,M.Rekas, C.C.Sorrell , ‘‘Photo-electrochemical hydrogen generation from water using solar energy. Materials-related aspects ‘‘ , International Journal of Hydrogen Energy , Vol. 27 , pp. 991 – 1022, (2007)
[23] K.S.Ahn , Y.Y. , S.H.Lee. ,T.Deutsch. ,J.Turner , C.E.Tracy , C.L.Perkins , M. Al-Jassim , ‘‘Photoelectrochemical properties of N-incorporated ZnO films deposited by reactive RF magnetron sputtering ‘‘ , Journal of the Electrochemical Society , Vol. 154 (9) , pp. B956-B959, (2007)
[24] 市川勝著李漢庭譯, ‘‘圖解氫能源 ‘‘ , 世茂出版有限公司 ,
2009年8月。
[25] S.M.Pawar , B.S.Pawar , J.H.Kim , O.S.Joo , C.D.Lokhande , ‘‘Recent status of chemical bath deposited metal chalcogenide and metal oxide thin films ‘‘ , Current Applied Physics , Vol. 11 , pp. 117-161, (2011)
[26] Y.Masuda , K.Kato, ‘‘Anatase TiO2 films crystallized on SnO2:F substrates in an aqueous solution ‘‘ , Thin Solid Films , Vol. 516 , pp. 2547–2552, (2008)
[27] X.P.Wang, Y.Yu, X.F.Hu, L.Gao, ‘‘Hydrophilicity of TiO2 films prepared by liquid phase deposition ‘‘ , Thin Solid Films , Vol. 371 , pp. 148-152, (2000)
[28] S.Deki, Y.Aoi , O.Hiroi, A.Kajinami, ‘‘Titanium (Ⅳ) oxide thin films prepared from aqueous solutiom ‘‘ , Chemistry , Vol. 25 , pp. 433-434, (1996)
[29] C.D.Lokhande , A.M.More , T.P.Gujar , J.L.Gunjakar , O.S.Joo , ‘‘Growth of TiO2 nanorods by chemical bath deposition method ‘‘ , Applied Surface Science , Vol. 255 , pp. 2682–2687, (2008)
[30] O.S.Joo , C.D.Lokhande, E.H.lee, K.D.Jung, ‘‘Room temperature chemical deposition of amorphous TiO2 thin films from Ti(III) chloride solution ‘‘ , Journal of Materials Science , Vol. 39 , pp. 2915 – 2918, (2004)
[31] A.Ennaoui , B.R.Sankapal , M.Ch.Lux-Steiner , ‘‘Synthesis and characterization of anatase-TiO2 thin films ‘‘ , Applied Surface Science , Vol. 239 , pp. 165–170, (2005)
[32] H.Imai, T.Watanabe, H.Hayashi, ‘‘Low-temperature preparation of dye-sensitized solar cells through crystal growth of anatase titania in aqueous solutions ‘‘ , Solar Energy Materials & Solar Cells , Vol. 90 , pp. 640–648, (2006)
[33] S.Karuppuchamy, M.Iwasaki, H.Minoura, ‘‘Physico-chemical, photoelectrochemical and photocatalytic properties of electrodeposited nanocrystalline titanium dioxide thin films ‘‘ , Vacuum , Vol. 81 , pp. 708–712, (2007)
[34] R.Amal, Y.K.Kho, A.Iwase, W.Y.Teoh, L.Ma¨dler, A.Kudo, ‘‘Photocatalytic H2 evolution over TiO2 nanoparticles. The synergistic effect of anatase and rutile ‘‘ , J. Phys. Chem. C , Vol. 114 , pp. 2821–2829, (2010)
[35] R.Dholam, N.Patel, A.Miotello , ‘‘Efficient H2 production by water-splitting using indiumetin-oxide/V-doped TiO2 multilayer thin film photocatalyst ‘‘ , International Journal of Hydrogen Energy , In Press, Corrected Proof, (2011)
[36] 超音波工學理論實務賴耿陽編著復漢出版社有限公司，民國
87年9月
[37] 薄膜與科技應用羅吉宗編著全華圖書股份有限公司，2009
年3月
[38] H. Yang, L. Guo, W. Yan, H.Liu, ‘‘A novel composite
photocatalyst for water splitting hydrogen production ‘‘ , Journal of
Power Sources , Vol. 159 , pp. 1305–1309, (2006)
[39] L.LYang ,Q.X.Zhao ,M.Willander , ‘‘Size-controlled growth of well-aligned ZnO nanorod arrays with two-step chemical bath deposition method ‘‘ , Journal of Alloys and Compounds , Vol. 469 , pp. 623–629, (2009)
[40] 徐彥翔, ‘‘以化學水浴法沉積氧化鋅光電極薄膜之研究‘‘,國立中央大學能源工程研究所碩士論文 (2010) 。
[41] ‘‘Optical processs of semiconductors ‘‘,J.I.Pankove, Prentice Hall,New York (1971) 。
[42] 半導體元件物理及製作技術施敏原著黃調元譯國立交通
大學出版社，民國91年9月。

指導教授

洪勵吾(Lih-Wu Hourng)

審核日期

2011-6-13

推文