[發明專利]一種蜘蛛網狀透明導電電極的制備方法

有效

• 申請號: 201410175312.6
• 申請日: 2014-04-28
• 公開（公告）號: CN103985478A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 高進偉;黃苑林;韓兵;羅浚毅
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: H01B13/00
• 分類號: H01B13/00
• 代理公司: 廣州知友專利商標代理有限公司 44104
• 代理人: 宣國華

技術領域

本發明屬于透明導電電極技術領域，具體涉及一種蜘蛛網狀透明導電電極的制備方法。

背景技術

自然界的創造力總是令人驚奇，自然界的生物體在億萬年的進化過程中，為了適應環境求得生存，其自身的結構經過不斷的磨合累積，形成了微觀復合、宏觀完美的結構。其特殊的微觀結構、優異的特性、良好的功能適應性及快速愈合等功能都是人工材料所無法比擬的。其通過復雜結構的精細組合，從而具有許多獨有的特點和最佳的綜合性能。道法自然，向自然界學習，采用仿生學原理，設計、合成并制備新型仿生材料，是近年快速崛起和發展的研究領域，并已成為材料、化學、物理、生物、納米技術、制造技術及信息技術等多學科交叉的前沿方向之一。

天然蜘蛛絲是蜘蛛經由其絲腺體分泌的一種天然蛋白生物材料，屬于一種生物彈性體纖維，它具有很高的強度、彈性、柔韌性、伸長度和抗斷裂性能，以及比重小、較耐紫外線、生物可降解等優點，其優異的綜合性能是包括蠶絲在內的天然纖維和合成纖維所無法比擬的，是自然界產生的最好的結構和功能材料之一，是迄今為止發現的綜合性能最為優異的天然纖維材料。蜘蛛絲中較細的直徑只有100nm的數量級,是真正的納米纖維。

一般來說，透明導電電極是指對入射光波長范圍在380nm到780nm之間的光譜的透射率大于80％、且電阻率低于10^-3Ω·cm的薄膜電極。1907年Badeker首次報道半透明導電CdO材料，直到第二次世界大戰，透明導電薄膜(Transparent?conductive?film，TCF)材料才得到足夠的重視和應用。現在，TCF材料(例如ITO(Indium?tin?oxide))、TFO(fluorine-doped?tin?oxide))已經廣泛地應用在平板顯示，節能玻璃和太陽能電池中。從物理角度看，物質的透光性和導電性是一對基本矛盾。一種材料要具備良好的導電性，必須同時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年來一直是透明導電電極研究和應用的熱點。然而金屬氧化物用作太陽能電池電極本身導電性有限，且質脆易碎，不易變形等缺陷，同時原料資源日益稀缺，價格昂貴。傳統電極的組成材料和制備工藝，例如晶體硅太陽能電池中的大尺寸銀漿柵線電極，其昂貴的絲網印刷、高溫退火工藝；薄膜太陽能電池中的金屬氧化物(例如ITO)電極與真空鍍膜工藝等，在一定程度上，提高了電池的成本，而且某些苛刻的工藝條件對電池的光電轉化效率和其它性能造成了一定的影響。因此，太陽能電池透明導電電極的新材料、新結構以及新工藝的研究，是高效率低成本太陽能電池的重要研究方向。

近年來隨著微納米技術的發展，透明導電電極開拓的一個新領域是二維微納米新材料與結構薄膜電極，例如高聚物導電薄膜，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，同時也具有很好的載流子遷移率，但量產技術尚未成熟；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導電性。透明導電薄膜除了優良的導電性，還需要優良的光透射率，光電導率之比(σ_DC/σ_opt,σ_DC決定電極面電阻，σ_opt決定薄膜光透過率)很好的描述透明導電薄膜的光電性能。研究表明：一般碳納米管光電導率之比為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電性和光透射率。由于銀是電良導體，導電性好，因而微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)。同時微納米銀線的粒徑小于可見光入射波長時，金屬微納米結構的等離子效應增強光透射率，使電極具有很好的光電性能，有利于提高電池器件的效率。同時微納米銀線電極適合柔性、大面積低成本生產。因而微納米銀線電極將成為現在ITO透明導電電極的有利替代者。