臺大團隊打造高效且節省稀有資源的光驅能量轉換系統

在邁向潔淨且永續能源的道路上，光電催化(photoelectrocatalysis)被視為一種能直接將陽光儲存為化學能的關鍵技術。利用半導體薄膜作為光電極，光照激發出的電荷可在與溶液界面進行氧化還原反應，生成氫氣或其他碳中和燃料。在眾多候選材料中，氮化鉭(Ta₃N₅)因其理想的能帶結構與可見光吸收能力備受關注，然而其電荷傳輸效率低，通常需要數百奈米以上的膜厚，甚至需鍍在鉭金屬箔之上，才能達到理想效率。考量到鉭在地殼中的豐度僅約1-2 ppm，其高用量成為材料實用化的障礙。

臺灣大學化學系助理教授姜昌明的研究團隊開發出創新薄膜製備技術，以亞穩態的氮化鉭前驅物Ta₂N₃為起點，在矽基材上成功合成出高效率、超薄型的Ta₃N₅光陽極。這種策略在基材界面生成微量具高導電性的次氮化物(subnitrides)，大幅提升電荷傳遞效率，使其能達到與傳統厚膜相當甚至更優的光電流輸出，顯著降低鉭的使用量。

姜昌明自2021起任教於臺大化學系，研究初期即獲得臺大研發處的補助，建構反應式濺鍍沉積系統，讓其團隊得以穩定製備亞穩態的Ta₂N₃材料。研究的第一作者碩士生張家維則仔細優化前驅物薄膜的生長參數，以及在氨氣中退火轉化為Ta₃N₅的條件。研究結果顯示，在界面生成的導電雜質為改善載流子傳輸的關鍵因素。

此外，研究團隊也發現，在多種矽基材中，具有(111)晶向的高摻雜n型矽，與Ta₃N₅的接觸界面具有最低的蕭特基能障(Schottky barrier)，能更有效提升光電極的能量轉換效率。

此研究結果已發表於國際知名期刊 Small，不僅深化對氮化物半導體界面行為的理解，也為未來發展高效、低成本的光電催化裝置，提供具擴展性的設計策略。

研究成果全文：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202505487
化學系姜昌明助理教授實驗室：https://sites.google.com/view/jiangresearchgroup/