[發明專利]一種電池電極用金屬化類石墨膜層的制備方法

有效

• 申請號: 201810209709.0
• 申請日: 2018-03-14
• 公開（公告）號: CN108400177B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 閆焉服;高志廷;王廣欣;楊文玲;傅山泓;吳丹鳳
• 申請（專利權）人: 河南科技大學
• 主分類號: H01L31/0224
• 分類號: H01L31/0224;H01L21/02
• 代理公司: 洛陽公信知識產權事務所(普通合伙) 41120
• 代理人: 魏新培

一種電池電極用金屬化類石墨膜層的制備方法，金屬化類石墨膜層的各組成成分的百分比為：Ti 3.5~8.0%，N 2.0~3.0%，雜質含量≤0.05%，余量為C。本發明采用石墨、Ti靶材共濺射制備出金屬化類石墨膜層，碳原子主要以sp²雜化軌道成鍵，能夠克服了類金剛石電阻率大的缺點，減少了碳原子以sp³雜化軌道成鍵的方式。金屬化類石墨膜層的方阻在100mΩ/□~3Ω/□，滿足了工業化的生產需求。

技術領域

本發明涉及電池技術領域，具體涉及一種電池電極用金屬化類石墨膜層的制備方法。

背景技術

太陽能電池是20世紀90年代發展起來的新型產業，具有清潔、新能源、無污染、科技含量高的特點。電池的電極是電池的主要構成部分，它主要參與電子的收集和輸運程。而太陽能電池的電極通常由載有鉑催化劑的導電玻璃構成，鉑成本較高，因此，人們嘗試其他方法替代鉑金屬。

碳材料有天然的作為太陽能電池的優良特性，炭材料催化活性高，導電性好，性能穩定，而且成本低；同時，類石墨薄膜可以作為傳感器的電極，在電化學相關領域應用廣泛進。碳以多種形態存在的原因是：由于碳原子通常具有3種雜化軌道成鍵形式，即sp³、sp²和sp¹。當碳原子以sp³雜化軌道成鍵時，其表現形式為金剛石；以sp²雜化軌道成鍵時，其表現形式為石墨結構。金剛石結構強度、硬度大，導電性小，制備出的類金剛石薄膜電阻以兆Ω為單位。相反，石墨結構強度、硬度小，導電性強，薄膜電阻以Ω或者毫Ω為單位，電阻率相差10⁶~10⁹。

電池的電極要求導電性好，電極導電薄膜的沉積方法主要分為兩類：化學氣相沉積和物理氣相沉積。化學氣相沉積主要以含碳氣體，如甲烷、乙炔等為碳源，采用等離子化學氣相沉積法；物理氣相沉積主要以高純石墨為靶材，采用濺射鍍膜方式制備膜層。然而，在制備電池的電極的過程之中，sp²雜化軌道成鍵形式難以形成，制備出來的電阻率大，遠遠高于靶材石墨的電阻率。現有技術有使用磁控濺射方式制備的薄膜，薄膜方阻在20~30Ω/□，還達不到批量工業化生產的技術要求。

發明內容

本發明的目的之一是提供一種電池電極用金屬化類石墨膜層；本發明的目的之二是提供一種電池電極用金屬化類石墨膜層的制備方法。本發明制備的金屬化類石墨膜層，方阻為100mΩ/□~3Ω/□；在制備電池的電極的過程之中，C-C以sp²雜化軌道成鍵。

本發明為實現目的之一所采用的技術方案為：一種電池電極用金屬化類石墨膜層，金屬化類石墨膜層的各組成成分的百分比為：Ti 3.5~8.0%，N 2.0~3.0%，雜質含量≤0.05%，余量為C。

本發明為實現目的之二所采用的技術方案為：

一種電池電極用金屬化類石墨膜層的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、使用超聲波清洗Si基體5~20min；

步驟二、通入氬氣和氮氣，使用Ti、石墨靶材共濺射方法鍍膜，制得金屬化類石墨膜層；

步驟三、將制得的金屬化類石墨膜層在黑體爐中加熱，黑體爐中溫度為800~900℃，保溫2~3h。

其中，步驟二中，Ti、石墨靶材共濺射鍍膜方法為：以FTO導電玻璃為基材，以石墨和T材作為共濺射的靶材原料，利用磁控共濺射鍍膜設備在FTO玻璃上沉積碳膜；其中，將基材加熱到800~1000 ℃，通入氬氣和氮氣，并調節二者的流量使磁控共濺射鍍膜設備的腔體壓力為0.2~0.5 Pa。

本發明中，氬氣與氮氣的流量比為3：1；氬氣與氮氣的總流量為30~40sccm；石墨靶材的電流密度為10~15 W/cm²，Ti靶材的電流密度為0.5~1 W/cm²。