子計畫七：智慧感測
主持人：吳靖宙
團隊成員：吳嘉哲、溫志煜、蔡曉萍、葉鎮宇、斐靜偉
一、子計畫推動重點、成果與特色亮點
(1)生物與化學感測元件研究：
本研究已開發具有自動校正功能之氧氣與pH感測裝置，此裝置結合了一個三維列印結構用以固定感測電極與微通道、一組含有Wi-Fi傳輸的微控制器與電路可控制輸出校正電位與量測 pH值與氧氣濃度和一組自製幫浦與閥門模組，藉由該系統整合可使pH感測與氧氣感測裝置具有自動校正和長時間即時檢測。實際在中興湖水進行pH量測，IrOx-based pH感測器以每24小時進行自動校正，將IrOx-based pH感測器與商業化的pH感測器進行比較，結果發現最大誤差為±0.2 pH。而氧氣感測器在中興湖水進行氧氣量測，並每8小時進行校正一次，穩態電流值的RSD為7.02%，顯示該pH感測與氧氣感測裝置在實際環境中具有良好的準確性與穩定度。該裝置已整合無線傳輸功能，可藉由Wi-Fi模組執行雲端傳輸與資料紀錄，並透過Blynk的開源雲端平台做為人機介面，即可利用智慧型手機進行pH量測、校正、儲存與智慧控制，實現遠端智慧感測與監控。本系統亦可結合其他晶片式感測器(如導電度、離子感測器等)，達到高準確性的水質檢測與智慧化省工之監控，該系統可廣泛應用於水產養殖、農業用水、水耕養液、工廠廢水排放與生物反應槽內水質的精準檢測，該水質參數正確的量測與雲端運算，利於未來人工智慧環境控制系統的開發。
圖1.自動校正監測系統實體圖
圖2.中興湖水(a)以IrOx電極和商用pH電極所得之pH值與(b)以氧氣電極所得之溶氧訊號
(2)低功率無線傳輸與系統整合：
本年度推動重點在於物聯網的即時感測與監控，探討關鍵軟硬體要件及應用平台之系統設計，其中包含感測器、致動器(actuator)、無線智慧閘道(gateway)、伺服器、自走車載具以及服務平台等等。透過此系統架構，並結合自走車載具的行動能力，網路運作基礎與核心應用之運作邏輯將得以實現。此外，系統亦導入遠距離LoRa無線通訊模組並感測器進行整合，將量測資料透過收集與整合，銜接於網路伺服器系統，用以協助整體系統處理與判別之應用，且已經透過實務實機整合與測試，完成初階化應用系統架構。
本年度推動重點在於物聯網的即時感測與監控，探討關鍵軟硬體要件及應用平台之系統設計，其中包含感測器、致動器(actuator)、無線智慧閘道(gateway)、伺服器、自走車載具以及服務平台等等。透過此系統架構，並結合自走車載具的行動能力，網路運作基礎與核心應用之運作邏輯將得以實現。此外，系統亦導入遠距離LoRa無線通訊模組並感測器進行整合，將量測資料透過收集與整合，銜接於網路伺服器系統，用以協助整體系統處理與判別之應用，且已經透過實務實機整合與測試，完成初階化應用系統架構。
圖3.IoT: Networked Sensing and Control
(3)自主發電材料與儲能設備的開發研究：
本年度研究重點，主要在設計並製作提供高低照度下的升壓與儲能電路，應用於矽晶與染敏太陽電池，產生足夠的能源，提供含氧量水質感測模組與無線數據傳輸模組的電能需求。
在調查各系統的電能需求下，含氧量水質感測模組需求5V與 2.1A的輸出， 每次量測20s，每日48 次量測，因此需要每日提供560 mAh的電能輸出。無線數據傳輸模組實測需要5V的輸出， 在3Hr的量測中，耗能60 mAh ，因此每日需求480 mAH。因此每日需要提供1040 mAh電量。以太陽電池為例，代表需要5.2 W的輸出。以每日日照4Hr來估算，共需31.2 W的太陽電池。若以15%模組效率的太陽電池來估算，每平方公尺輸出150 W電能。31.2 W 需要約0.21 平方公尺的太陽能板來提供電量。即邊長45公分的太陽能板。
在高效率染料與電動傳輸材料的合成研發與太陽能電池間的開發應用上，我們合成染料DY2具有兩個羧酸可改善染敏太陽能電池的穩定性，成果發表於(ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 5479-5486.)。
本年度研究重點，主要在設計並製作提供高低照度下的升壓與儲能電路，應用於矽晶與染敏太陽電池，產生足夠的能源，提供含氧量水質感測模組與無線數據傳輸模組的電能需求。
在調查各系統的電能需求下，含氧量水質感測模組需求5V與 2.1A的輸出， 每次量測20s，每日48 次量測，因此需要每日提供560 mAh的電能輸出。無線數據傳輸模組實測需要5V的輸出， 在3Hr的量測中，耗能60 mAh ，因此每日需求480 mAH。因此每日需要提供1040 mAh電量。以太陽電池為例，代表需要5.2 W的輸出。以每日日照4Hr來估算，共需31.2 W的太陽電池。若以15%模組效率的太陽電池來估算，每平方公尺輸出150 W電能。31.2 W 需要約0.21 平方公尺的太陽能板來提供電量。即邊長45公分的太陽能板。
在高效率染料與電動傳輸材料的合成研發與太陽能電池間的開發應用上，我們合成染料DY2具有兩個羧酸可改善染敏太陽能電池的穩定性，成果發表於(ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 5479-5486.)。
在鈣鈦礦太陽能電池之電動傳輸材料開發上，我們合成紫質錯化物YZT1，其可在未摻雜的(undoped)條件下具有13.10%的光電轉化效率，在摻雜的(doped)條件下具有14.95%的光電轉化效率，成果發表於(Sol. RRL 2020, 4, 2000119)。
在染敏太陽能電池中電解液的搭配也是一門學問，近期銅電解質的應用愈趨熱門，因其具有較小的氧化還原電位差，可以得到較大的開路電壓，有有效提高太陽能電池的光電轉換效率，我們也探討銅電解質其陽離子與其陰離子的配位關係對太陽能電池穩定性的影響，相關成果發表在(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 5812-5819)。
今年我們也發展出光電效率為7.2%之全紫質光伏電池，我們藉由官能基的改變調整鋅紫質其分子軌域的能階高低，分別為D1及A1兩化合物，其中D1在光伏電池中扮演電子供給者的角色，A1則扮演電子授予者的角色，此兩分子間的堆疊效應也能改善分子間電荷傳輸，成果報導於ACS Energy Lett. 2020, 5, 2641-2650.
(一)人才培育面向
(1)生物與化學感測元件研究：吳靖宙教授指導之莊育陞博士生於2020年10月International Conference on Smart Sensors (ICSS) 以『An Impedimetric Immunosensing Chip Integrated with A Microfluidic System for Detection of Peanut Allergen Ara h 1』榮獲Best Poster Award；吳靖宙教授指導之林昱成碩士生參加於2020年10月International Conference on Smart Sensors (ICSS) 以『Chemically Modified Copper Phosphate Chips for The Detection of Phosphate Anion of Real Soil Sample』榮獲大會Excellent Poster Award；吳靖宙教授指導之博士後研究員Kinish Singh以『Paper-based Chromatography Chip Integrated with Copper Phosphate Electrodes for Determination of Fish Freshness 』參加於2020年10月International Conference on Smart Sensors (ICSS)榮獲大會Best Oral Paper Award；吳靖宙教授指導干芳偉碩士生參加2020年11月農機與生機研討會以『整合磷酸銅電極與可攜式電化學裝置於乳牛急性發炎指標之特定蛋白質的檢測平台開發』榮獲大會口頭報告最佳論文獎。
(2)低功率無線傳輸與系統整合:
參與計劃學生人數7人，109年共培育碩士共計7人。 協助執行教育部『高教深耕計畫-落實教學創新』，開設『物聯網架構與設計』課程
(3)自主發電材料與儲能設備的開發研究：
參與學生人數16人，108年共培育碩士11人，博士生1名，博士後2名，109年共培育碩士11人，博士生1名，博士後2名，延攬研究助理1名。
(二)學術研究面向
(1)生物與化學感測元件研究：- 國外SCI期刊論文 - 已發表 2 篇
- 國外SCI期刊論文 - 已發表 3 篇
◎ 資訊科學與資料系統領域１篇(IEEE Access (Q1))
- 國內研討會 - 已發表 2 篇
◎行動資料管理與資料探勘領域 1 篇 ( 2020 MDM)
(3)自主發電材料與儲能設備的開發研究：
葉鎮宇教授開發新型紫質染料SK6與有機染料CW10共敏化應用於染敏太陽能電池的吸光層，此成果刊登於國際頂尖期刊(ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 2391−2399)。在電動傳輸材料方面，也成功開發出Y2與紫質二具體材料(porphyrin dimer)WT3作為鈣鈦礦太陽能電池(perovskite solar cell, PSC)的電動傳輸層，已超越目前普遍被使用作為電動傳輸材料的spiro-OMeTAD之光電轉換效率，此成果分別刊登於國際頂尖期刊(ACS Energy Lett. 2016, 1, 956−962)與(ACS Energy Lett. 2018, 3, 1620−1626)。在高效率染料與電動傳輸材料的合成研發與太陽能電池間的開發應用上，我們合成染料DY2具有兩個羧酸可改善染敏太陽能電池的穩定性，成果發表於(ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 5479-5486.)。在鈣鈦礦太陽能電池之電動傳輸材料開發上，我們合成紫質錯化物YZT1，其可在未摻雜的(undoped)條件下具有13.10%的光電轉化效率，在摻雜的(doped)條件下具有14.95%的光電轉化效率，成果發表於(Sol. RRL 2020, 4, 2000119)。在染敏太陽能電池中電解液的搭配也是一門學問，近期銅電解質的應用愈趨熱門，因其具有較小的氧化還原電位差，可以得到較大的開路電壓，有有效提高太陽能電池的光電轉換效率，我們也探討銅電解質其陽離子與其陰離子的配位關係對太陽能電池穩定性的影響，相關成果發表在(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 5812-5819)。今年我們也發展出光電效率為7.2%之全紫質光伏電池，我們藉由官能基的改變調整鋅紫質其分子軌域的能階高低，分別為D1及A1兩化合物，其中D1在光伏電池中扮演電子供給者的角色，A1則扮演電子授予者的角色，此兩分子間的堆疊效應也能改善分子間電荷傳輸，成果報導於ACS Energy Lett. 2020, 5, 2641-2650.
Books
[1] Silvano Donati: "Photodetectors - Devices, Circuits and Applications", 2nd edition amended and expanded, XVII 454 pages, J.Wiley and IEEE Press, Oxford 2020, ISBN 9781119769910 (hardback), ISBN 9781119769934 (pdf), ISBN 9781119769941 (epub).
Papers in International Journals
[1] S. Donati, G. Martini, W.-H. Cheng and Z. Pei: "Analysis of Timing Errors in Time-of-Flight LiDAR using APDs and SPAD Receivers", IEEE Journal Quantum Electronics, vol. QE-56 (2020), DOI 10.1109/JQE.2020. 3043090.
[2] S. Donati,W.-H. Cheng, C.-N. Liu, H.-K. Shih, and Z. Pei: "Integration of LiDAR and smart laser headlight in a compact module for autonomous driving" submitted to Applied Optics Special Issue on 'Optics for the Automotive'.
Conference Proceedings
[1] S. Donati and W.-H. Cheng: "Developing 3-D Imaging and LiDAR Sensors: Problems and Technologies", Invited Paper, OPTIC 2020, Taipei, 3-5 December 2020, paper S0203-2.
[2] S.Donati, G.Martini, Z.Pei and W.-H. Cheng: "The Ultimate Precision of Rangefinders and LiDARs based on Time-of-Flight Measurements" CLEO 2021 San Jose (submitted) 
(七)其他學術成果及社會貢獻
1.葉鎮宇教授研發新一代「bJS」系列紫質染料，被證明能有效提升染料敏化太陽能電池發電效率，是此領域研究的重大突破。成果發表在國際頂尖期刊《應用化學(Angewandte Chemie International Edition)》，此論文在該期刊中的重要性為前5％，被評選為非常重要論文VIP (Very Important Paper)，並於ChemistryViews.org，做特別報導，備受國際學者重視。
提升染料敏化太陽能電池發電效率，獲得重大突破，證明其創新的「雙柵欄」結構能有效提升染料敏化太陽能電池發電效率，在再生能源日益重要的未來，「雙柵欄」結構將成為高效能染料敏化太陽能電池中染料設計的重要因素之一，對太陽能以及室內光源的利用極具開發價。
(3)自主發電材料與儲能設備的開發研究：
葉鎮宇教授開發新型紫質染料SK6與有機染料CW10共敏化應用於染敏太陽能電池的吸光層，此成果刊登於國際頂尖期刊(ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 2391−2399)。在電動傳輸材料方面，也成功開發出Y2與紫質二具體材料(porphyrin dimer)WT3作為鈣鈦礦太陽能電池(perovskite solar cell, PSC)的電動傳輸層，已超越目前普遍被使用作為電動傳輸材料的spiro-OMeTAD之光電轉換效率，此成果分別刊登於國際頂尖期刊(ACS Energy Lett. 2016, 1, 956−962)與(ACS Energy Lett. 2018, 3, 1620−1626)。在高效率染料與電動傳輸材料的合成研發與太陽能電池間的開發應用上，我們合成染料DY2具有兩個羧酸可改善染敏太陽能電池的穩定性，成果發表於(ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 5479-5486.)。在鈣鈦礦太陽能電池之電動傳輸材料開發上，我們合成紫質錯化物YZT1，其可在未摻雜的(undoped)條件下具有13.10%的光電轉化效率，在摻雜的(doped)條件下具有14.95%的光電轉化效率，成果發表於(Sol. RRL 2020, 4, 2000119)。在染敏太陽能電池中電解液的搭配也是一門學問，近期銅電解質的應用愈趨熱門，因其具有較小的氧化還原電位差，可以得到較大的開路電壓，有有效提高太陽能電池的光電轉換效率，我們也探討銅電解質其陽離子與其陰離子的配位關係對太陽能電池穩定性的影響，相關成果發表在(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 5812-5819)。今年我們也發展出光電效率為7.2%之全紫質光伏電池，我們藉由官能基的改變調整鋅紫質其分子軌域的能階高低，分別為D1及A1兩化合物，其中D1在光伏電池中扮演電子供給者的角色，A1則扮演電子授予者的角色，此兩分子間的堆疊效應也能改善分子間電荷傳輸，成果報導於ACS Energy Lett. 2020, 5, 2641-2650.
(三)產學合作面向
中興大學化學系葉鎮宇教授持續與工研院、台塑企業等保有合作交流。(四)國際鏈結面向
裴靜偉教授邀請國際學者 Prof. Silvano Donati來台訪問研究，訪問期間成果卓著，共有以下產出:Books
[1] Silvano Donati: "Photodetectors - Devices, Circuits and Applications", 2nd edition amended and expanded, XVII 454 pages, J.Wiley and IEEE Press, Oxford 2020, ISBN 9781119769910 (hardback), ISBN 9781119769934 (pdf), ISBN 9781119769941 (epub).
Papers in International Journals
[1] S. Donati, G. Martini, W.-H. Cheng and Z. Pei: "Analysis of Timing Errors in Time-of-Flight LiDAR using APDs and SPAD Receivers", IEEE Journal Quantum Electronics, vol. QE-56 (2020), DOI 10.1109/JQE.2020. 3043090.
[2] S. Donati,W.-H. Cheng, C.-N. Liu, H.-K. Shih, and Z. Pei: "Integration of LiDAR and smart laser headlight in a compact module for autonomous driving" submitted to Applied Optics Special Issue on 'Optics for the Automotive'.
Conference Proceedings
[1] S. Donati and W.-H. Cheng: "Developing 3-D Imaging and LiDAR Sensors: Problems and Technologies", Invited Paper, OPTIC 2020, Taipei, 3-5 December 2020, paper S0203-2.
[2] S.Donati, G.Martini, Z.Pei and W.-H. Cheng: "The Ultimate Precision of Rangefinders and LiDARs based on Time-of-Flight Measurements" CLEO 2021 San Jose (submitted)
(五)研究貢獻面向
葉鎮宇教授在高效率染料與電動傳輸材料的合成研發與太陽能電池間的開發應用上具有多年經驗，並且持續有亮眼的成果發表。(六)環境建置面向
於溪心壩試驗場域之實體環境建置- 農漁牧業水質即時無電源無線監控系統(裴靜偉)
1.葉鎮宇教授研發新一代「bJS」系列紫質染料，被證明能有效提升染料敏化太陽能電池發電效率，是此領域研究的重大突破。成果發表在國際頂尖期刊《應用化學(Angewandte Chemie International Edition)》，此論文在該期刊中的重要性為前5％，被評選為非常重要論文VIP (Very Important Paper)，並於ChemistryViews.org，做特別報導，備受國際學者重視。
提升染料敏化太陽能電池發電效率，獲得重大突破，證明其創新的「雙柵欄」結構能有效提升染料敏化太陽能電池發電效率，在再生能源日益重要的未來，「雙柵欄」結構將成為高效能染料敏化太陽能電池中染料設計的重要因素之一，對太陽能以及室內光源的利用極具開發價。
圖4. 2020研究成果海報(子計畫7)
