[发明专利]一种基于金属网格和金属纳米线制备复合透明导电电极的方法

说明书

技术领域

本发明属于透明导电电极技术领域，具体涉及一种基于金属网格和金属纳米线制备复合透明导电电极的方法。

背景技术

透明导电前电极是太阳能电池等光电器件重要部件之一，对太阳能电池的短路电流，填充因子等有着显著的影响。一般来说，透明导电电极是指对入射光波长范围在380nm到780nm之间的光谱的透射率大于80％，且电阻率低于10^-3Ω·cm的薄膜电极。1907年Badeker首次报道半透明导电CdO材料。直到第二次世界大战，透明导电薄膜(Transparent conductive film，TCF)材料才得到足够的重视和应用。如今，TCF材料(例如ITO(Indium tin oxide)、TFO(fluorine-doped tin oxide))已经广泛地应用在平板显示，节能玻璃和太阳能电池中。从物理角度看，物质的透光性和导电性是一对基本矛盾。一种材料要具备良好的导电性，必须同时有较高的载流子浓度和较高的载流子迁移率，然而较高浓度的载流子会通过吸收光子来提高材料对光的吸收率，从而降低其透射率。从CdO到ITO，以及AZO(Al-doped ZnO)；从金属薄膜到聚合物薄膜；从单一组分到多元材料；对透明导电薄膜的研究一直围绕平衡这一对矛盾展开。金属氧化物，特别是ITO，在可见光区具有较高的光透过率和较低的电阻率，在过去50年来一直是透明导电电极研究和应用的热点。然而金属氧化物用作太阳能电池电极本身导电性有限，且质脆易碎，不易变形等缺陷，同时原料资源日益稀缺，价格昂贵。因此，为了满足光电子器件对透明导电电极的大量需求，适应大面积低成本制造的高性能透明导电电极已然成为如今的热点。

近年来随着纳米新材料和新结构的发展，透明导电电极开拓的一个新领域是二维纳米新材料与结构薄膜电极，例如高聚物导电薄膜，碳纳米管膜，石墨烯膜，纳米金属线膜,以及金属网格膜。高聚物导电薄膜本身的导电性不是很好；石墨烯薄膜本身特殊的形貌而具有很好的柔性，同时也具有很好的载流子迁移率，但量产技术尚未成熟；碳纳米管薄膜需要较大长径比，且碳管的均匀分散和碳管之间的欧姆电阻问题限制了薄膜的面内导电性；金属纳米线膜虽然采用液相法能够降低成本，但是均匀分散金属纳米线还是个难题，而且金属纳米线与衬底或者活化层的接触电阻及其附着力问题难以解决。透明导电薄膜除了优良的导电性，还需要优良的光透射率，光电导率之比(σ_dc/σ_opt,σ_dc决定电极面电阻，σ_opt决定薄膜光透过率)很好的描述透明导电薄膜的光电性能。研究表明：一般碳纳米管光电导率之比为6～14，石墨烯为～70，ITO为120-200，纳米金属银线电极为215，而金属网格电极可以达到更高。由此可以看出金属网格具有优异的导电性和光透射率。由于银，金，铜，镍等金属是良好的导体，导电性好，因而金属网格用作电极材料可以降低能耗(相对于氧化物薄膜电极)。同时金属网格薄膜的网孔尺寸和网格线宽，都相对具有可控性。而且金属网格电极与衬底的附着力较强，表面平整性较好，适用于各类光电器件。另外金属网格电极适合柔性衬底等生产。因而金属网格电极将成为现在ITO透明导电电极的有利替代者。

传统制备金属网格薄膜的主要使用规则的微纳米金属导电栅线，即在衬底表面通过丝网印刷、光刻或者纳米压印等技术获得规则微纳米尺度栅线。由于导电栅线的厚度相对金属薄膜要厚一些，电子的表面和界面散射变弱，栅线的导电性接近于块体金属的导电性，同时次波长尺寸栅线的光散射作用和耦合作用降低了电极部分带来的光反射损失。对太阳能电池来说，光散射作用提高了活化层对光的吸收作用。金属栅电极具有很好的导电性和光透射率，然而，金属栅电极昂贵的制备方法(丝网印刷，光刻，真空沉积等)提高了该电极的应用成本。近些年来，科研工作者们用液相模板法去构建随机分布的金属网格作为透明导电膜，比如用泡泡模板，咖啡环效应，龟裂模板。这些液相模板价格低廉，为低成本大量生产金属网格导电电极提供了很大的可能性。