當全球半導體產業正邁向 3D-IC（三維積體電路）時代，透過晶片垂直堆疊突破平面化架構限制、提升單位面積運算密度與能源效率時，這樣的概念，是否也能重新定義未來的太陽能與人工光合作用技術？

國立清華大學化工系周鶴修教授研究團隊近期於國際頂尖期刊 Nature Communications 發表最新研究成果，首次將半導體 3D-IC 的核心概念跨域導入人工光合作用系統，提出「3D-IC inspired immobilized stacking photocatalyst device（受 3D-IC 啟發之立體堆疊式固定化光催化裝置）」的新型態架構，成功突破傳統光催化技術長年受限於平面化設計與土地利用效率不足等瓶頸。

從晶片垂直堆疊到立體化人工光合作用

現有光催化產氫系統大多採用粉末懸浮反應或單層薄膜設計。雖然在實驗室條件下可展現良好催化活性，但實際放大應用時，常面臨光散射、材料沉降、薄膜脫落、反應器體積龐大，以及單位土地產氫量不足等問題。研究團隊因此受到半導體 3D-IC 技術啟發，重新思考光催化系統的設計邏輯。若半導體可以透過垂直整合提升運算密度，那麼光催化材料是否也能透過三維堆疊提升太陽能轉換效率與土地利用效率？這項跨領域思維，成為本研究的重要起點。

打造具主動功能的光催化反應平台

為了實現立體堆疊概念，研究團隊開發出具「可膨潤（swelling-enabled）」特性的高分子固定化平台。此平台不僅能穩定固定有機半導體光催化材料，更能在反應過程中吸收液體並形成高效率質傳通道，使水分子與反應物更容易進入催化界面，同時促進電荷分離與載子傳輸。相較於傳統將催化材料被動附著於基板上的設計，此平台更像是一個具備主動功能的光催化反應介面，大幅提升系統整體效能。

立體堆疊架構讓產氫效率提升近五倍

研究團隊進一步將光催化薄膜進行垂直堆疊，建立出類似半導體 3D-IC 的立體化人工光合作用架構。研究結果顯示，多層堆疊後的系統可顯著提升單位面積產氫效率，最高可達單層系統近五倍表現，展現未來高密度太陽能燃料裝置的發展潛力。此外，團隊亦導入「光譜分工（spectral splitting）」設計概念，利用不同高分子半導體對不同波段光的吸收特性進行分層設計。不同於傳統多種材料混合可能導致能量耗損與電荷復合的情況，此策略讓不同層負責吸收不同波長光能，形成如同「太陽光能立體分工」的架構，進一步提升整體太陽能利用效率。

從材料創新走向系統創新

研究團隊指出，這項成果的重要性不僅在於材料性能的提升，更在於提出全新的能源裝置思維。未來人工光合作用系統，可能不再只是追求材料效率，而是如同現代半導體技術一般，同時重視「材料 × 架構 × 空間整合」的系統化設計。研究團隊認為，此概念未來有望應用於大型太陽能產氫模組、綠氫工廠，甚至都市型能源系統。在土地資源有限的情況下，如何於有限空間中最大化太陽能燃料產出，將是全球綠能發展的重要課題，而「立體化人工光合作用」有望成為下一世代太陽能燃料技術的重要方向。

清華工學院展現跨域整合研究能量

本研究展現清華大學工學院在有機半導體、高分子材料、人工光合作用與能源科技等領域的跨域整合能力，也凸顯臺灣將半導體創新思維延伸至綠色能源技術的獨特優勢。透過將半導體產業成熟的「3D 整合」概念導入能源系統設計，研究團隊成功開啟跨領域創新的新方向，為下一世代綠色能源科技發展提供嶄新可能，也展現清華工學院在前瞻能源研究領域的國際競爭力。