調查局三等申論題
111年
[化學鑑識組] 儀器分析
第 一 題
📖 題組：
電費調漲，使再生能源的研發、應用和管理，再度受重視。今年截至 5月底，臺灣太陽光電的發電量占再生能源發電比例約為 38%。
電費調漲，使再生能源的研發、應用和管理，再度受重視。今年截至 5月底，臺灣太陽光電的發電量占再生能源發電比例約為 38%。
📝 此題為申論題，共 3 小題
小題 (一)
太陽能發電乃將陽光的電磁輻射轉換成電能。（14 分）
(a)依電磁波波長從大到小，列寫出太陽光電可以利用之三個主要的電磁輻射區域。
(b)例舉出其他任何一個輻射區域，並依其相關儀器組件之工作原理，提出兩個原因，解釋為何該輻射區域的電磁輻射無法在太陽能發電中被廣泛使用。
(c)除了(a)和(b)所列寫出的四個輻射區域外，另舉出一個輻射區域，寫下利用此區域之電磁輻射為光源的任何一種儀分方法的名稱和該方法至少 80 字的分析原理。
思路引導 VIP
本題測驗對電磁波譜的全面理解及儀器原理的應用。解題時，先根據太陽光到達地表的主要光譜寫出 (a)；接著利用『半導體能隙 (Band gap)』或『光子能量公式 (E=hc/λ)』來探討 (b) 中極端波長無法發電的物理限制；最後在 (c) 選定一個儀器分析常考的波段（如 X-ray 或 Radio wave），詳述其光譜學激發與輻射躍遷原理。
小題 (二)
有些紅外線偵測器可以用來擷取陽光成分，並將之轉換成電能。（23 分）
(a)寫下一種最有利於擷取陽光以進行太陽光電轉換的紅外線偵測器（以下稱之為偵測器 A；該偵測器使用密封在真空中的特殊半導體材料為元件）的名稱。
(b)討論偵測器 A 的工作原理。
(c)敘述偵測器 A 的運作特性。
(d)例舉一種偵測器 A 所使用之特殊半導體材料。
(e)解釋為何有些偵測器 A 必須置於液態氮中使用。
(f)若臺灣的太陽能發電裝置全面改以偵測器 A 的光電轉換元件取代，是否可以有效提升臺灣再生能源的發電比例？解釋之。
(g)略加修改後，偵測器 A 是否亦可能用為層析法的偵測器？若否，解釋之；若是，討論①在偵測器構造上應該如何增加/修改組件且②實驗過程該如何進行，使偵測器 A 可以作為層析法之定量分析的偵測器。
思路引導 VIP
看到『半導體、真空密封、紅外光轉電能、液態氮冷卻』，應立刻聯想到『光子偵測器（Photon/Quantum detector）』，特別是儀器分析中常見的 MCT 偵測器。解題時需運用光電效應與半導體能隙原理解釋其運作及降溫需求；發電效益需考量太陽光譜能量分佈與製冷耗能；最後結合光譜偵測器與層析法的串聯（如 HPLC-FTIR），補上流通池（Flow cell）與光源的設計即可解答層析應用。
小題 (三)
陽光照射所產生的熱，亦可進行熱電轉換。（14 分）
(a)繪出（並標示）內含光電二極管之熱天平的構造。
(b)繪出差熱曲線圖（X 軸為溫度 T，Y 軸為溫差∆T，Y 軸正向為放熱，負向為吸熱），顯示聚合物材料在結晶、熔化、氧化、分解和玻璃化轉變過程所預期出現的差熱曲線變化。
(c)以熱天平的運作為基礎，討論可能如何利用太陽光熱產生電能。
思路引導 VIP
本題結合了儀器構造、熱分析圖譜解析與物理化學原理的延伸應用。解題時：1. 針對(a)，需聯想到『零位平衡式熱天平（Null-point thermobalance）』，光電二極體是用來偵測天平臂位移的光電感測器。2. 針對(b)，需依序回想高分子隨溫度上升的熱學行為（Tg、Tc、Tm、氧化、分解），並嚴格遵守題目設定的 Y 軸正負向定義（正為放熱、負為吸熱）。3. 針對(c)，找出熱天平與熱電轉換的交集，即測溫元件『熱電偶（Thermocouple）』的塞貝克效應（Seebeck effect），將其放大應用至太陽能集熱發電。