[發(fā)明專利]一種基于龜裂模板法制備多孔金屬薄膜透明導(dǎo)電電極的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310122824.1
• 申請日: 2013-04-10
• 公開（公告）號: CN103227240A
• 公開（公告）日: 2013-07-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高進(jìn)偉;韓兵;裴顆;王洋
• 申請（專利權(quán)）人: 華南師范大學(xué)
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18
• 代理公司: 廣州知友專利商標(biāo)代理有限公司 44104
• 代理人: 宣國華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于薄膜電極技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于龜裂模板法制備多孔金屬薄膜透明導(dǎo)電電極的方法。

背景技術(shù)

透明導(dǎo)電前電極是太陽能電池重要部件之一，對太陽能電池的短路電流，填充因子等有著重要的影響作用。一般來說，透明導(dǎo)電電極是指對入射光波長范圍在380?nm到780?nm之間的光譜的透射率大于80%、且電阻率低于10^-3?Ω·cm的薄膜電極。1907年Badeker首次報(bào)道半透明導(dǎo)電CdO材料，直到第二次世界大戰(zhàn)，透明導(dǎo)電薄膜（Transparent?conductive?film，TCF）材料才得到足夠的重視和應(yīng)用。現(xiàn)在，TCF材料（例如ITO（Indium?tin?oxide））、TFO（fluorine-doped?tin?oxide））已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在平板顯示，節(jié)能玻璃和太陽能電池中。從物理角度看，物質(zhì)的透光性和導(dǎo)電性是一對基本矛盾。一種材料要具備良好的導(dǎo)電性，必須同時(shí)有較高的載流子濃度和較高的載流子遷移率，然而較高濃度的載流子會吸收光子而提高材料對光的吸收率而降低其透射率。從CdO到ITO，以及AZO（Al-doped?ZnO）；從金屬薄膜到聚合物薄膜；從單一組分到多元材料；對透明導(dǎo)電薄膜的研究一直圍繞這一矛盾展開。金屬氧化物，特別是ITO，在可見光區(qū)具有較高的光透過率和較低的電阻率，在過去50年來一直是透明導(dǎo)電電極研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。然而金屬氧化物用作太陽能電池電極本身導(dǎo)電性有限，且質(zhì)脆易碎，不易變形等缺陷，同時(shí)原料資源日益稀缺，價(jià)格昂貴，因此高性能，且適應(yīng)大面積低成本制造的透明導(dǎo)電電極來滿足光電子器件不斷的發(fā)展和對透明導(dǎo)電電極的大量需求。

近年來隨著納米新材料和新結(jié)構(gòu)的發(fā)展，透明導(dǎo)電電極開拓的一個(gè)新領(lǐng)域是二維納米新材料與結(jié)構(gòu)薄膜電極，例如高聚物導(dǎo)電薄膜，碳納米管膜，石墨烯膜，以及納米金屬線膜。石墨烯薄膜本身特殊的形貌而具有很好的柔性，同時(shí)也具有很好的載流子遷移率，但量產(chǎn)技術(shù)尚未成熟；碳納米管薄膜需要較大長徑比，且碳管的均勻分散和碳管之間的歐姆電阻問題限制了薄膜的面內(nèi)導(dǎo)電性。透明導(dǎo)電薄膜除了優(yōu)良的導(dǎo)電性，還需要優(yōu)良的光透射率，光電導(dǎo)率之比(σ_DC/σ_opt,?σ_DC?決定電極面電阻，σ_opt決定薄膜光透過率）很好的描述透明導(dǎo)電薄膜的光電性能。研究表明：一般碳納米管光電導(dǎo)率之比為6-14，石墨烯為~70，ITO為120-200，而納米金屬銀線電極具有215，由此可以看出納米銀線具有出色的導(dǎo)電性和光透射率。由于銀是電良導(dǎo)體，導(dǎo)電性好，因而納米銀線用作電極材料可以降低能耗（相對于氧化物薄膜電極）。同時(shí)納米銀線的粒徑小于可見光入射波長時(shí)，金屬納米結(jié)構(gòu)的等離子效應(yīng)增強(qiáng)光透射率，使電極具有很好的光電性能，有利于提高電池器件的效率。同時(shí)納米銀線電極適合柔性襯底等生產(chǎn)。因而納米銀線電極將成為現(xiàn)在ITO透明導(dǎo)電電極的有利替代者。

正是由于具有上述優(yōu)點(diǎn)和良好的應(yīng)用前景，納米銀線電極近年來受到國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。納米銀線用作電極主要包括兩種方式，一是使用規(guī)則的微納米銀導(dǎo)電柵線，即在襯底表面通過絲網(wǎng)印刷、光刻或者納米壓印等技術(shù)獲得規(guī)則微納米尺度柵線。由于導(dǎo)電柵線的厚度相對金屬薄膜要厚一些，電子的表面和界面散射變?nèi)酰瑬啪€的導(dǎo)電性接近于塊體金屬的導(dǎo)電性，同時(shí)次波長尺寸柵線的光散射作用和耦合作用降低了電極部分帶來的光反射損失。對太陽能電池來說，光散射作用提高了活化層對光的吸收作用。銀柵電極具有很好的導(dǎo)電性和光透射率，然而，銀柵電極昂貴的制備方法（絲網(wǎng)印刷，光刻，真空沉積等）提高了該電極的應(yīng)用成本。對實(shí)際應(yīng)用來時(shí)，低成本液相法大面積制備隨機(jī)納米銀線薄膜電極是現(xiàn)在研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。隨機(jī)納米銀線薄膜具備了銀柵電極的高透明的優(yōu)點(diǎn)，但導(dǎo)電性降低。主要技術(shù)包括較大長經(jīng)比納米銀線的合成和穩(wěn)定銀墨溶液的制備，納米線沉積，接觸電阻處理等。然而，調(diào)控納米銀線薄膜電極的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)納米銀線電極的光學(xué)透射率和導(dǎo)電性的協(xié)同提高難以實(shí)現(xiàn)；同時(shí)（1）調(diào)節(jié)大批量合成具有較大的長徑比的納米銀線，及均勻分散納米線是難題；（2）退火等方法改善納米線之間的接觸電阻控制難度很大；（3）納米銀電極與襯底或者活化層的接觸電阻及其附著力問題難以解決。所以開發(fā)具有優(yōu)異光電特性，良好的面內(nèi)和接觸電阻，及其良好附著力和機(jī)械環(huán)境穩(wěn)定性等優(yōu)異特征納米線薄膜的制備技術(shù)是納米銀線電極實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于一種基于龜裂模板法制備多孔金屬薄膜透明導(dǎo)電電極的方法，該方法能顯著提高前電極的光透射率及導(dǎo)電性、能提高電池器件的效率和降低制作成本，且機(jī)械和環(huán)境穩(wěn)定性好，適合大面積低成本制備。