[发明专利]一种蜘蛛网状透明导电电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于透明导电电极技术领域，具体涉及一种蜘蛛网状透明导电电极的制备方法。

背景技术

自然界的创造力总是令人惊奇，自然界的生物体在亿万年的进化过程中，为了适应环境求得生存，其自身的结构经过不断的磨合累积，形成了微观复合、宏观完美的结构。其特殊的微观结构、优异的特性、良好的功能适应性及快速愈合等功能都是人工材料所无法比拟的。其通过复杂结构的精细组合，从而具有许多独有的特点和最佳的综合性能。道法自然，向自然界学习，采用仿生学原理，设计、合成并制备新型仿生材料，是近年快速崛起和发展的研究领域，并已成为材料、化学、物理、生物、纳米技术、制造技术及信息技术等多学科交叉的前沿方向之一。

天然蜘蛛丝是蜘蛛经由其丝腺体分泌的一种天然蛋白生物材料，属于一种生物弹性体纤维，它具有很高的强度、弹性、柔韧性、伸长度和抗断裂性能，以及比重小、较耐紫外线、生物可降解等优点，其优异的综合性能是包括蚕丝在内的天然纤维和合成纤维所无法比拟的，是自然界产生的最好的结构和功能材料之一，是迄今为止发现的综合性能最为优异的天然纤维材料。蜘蛛丝中较细的直径只有100nm的数量级,是真正的纳米纤维。

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。现在，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吸收光子而提高材料对光的吸收率而降低其透射率。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这一矛盾展开。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。传统电极的组成材料和制备工艺，例如晶体硅太阳能电池中的大尺寸银浆栅线电极，其昂贵的丝网印刷、高温退火工艺；薄膜太阳能电池中的金属氧化物(例如ITO)电极与真空镀膜工艺等，在一定程度上，提高了电池的成本，而且某些苛刻的工艺条件对电池的光电转化效率和其它性能造成了一定的影响。因此，太阳能电池透明导电电极的新材料、新结构以及新工艺的研究，是高效率低成本太阳能电池的重要研究方向。

近年来随着微纳米技术的发展，透明导电电极开拓的一个新领域是二维微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，石墨烯膜以及纳米金属线膜。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。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，而纳米金属银线电极具有215，由此可以看出纳米银线具有出色的导电性和光透射率。由于银是电良导体，导电性好，因而微纳米银线用作电极材料可以降低能耗(相对于氧化物薄膜电极)。同时微纳米银线的粒径小于可见光入射波长时，金属微纳米结构的等离子效应增强光透射率，使电极具有很好的光电性能，有利于提高电池器件的效率。同时微纳米银线电极适合柔性、大面积低成本生产。因而微纳米银线电极将成为现在ITO透明导电电极的有利替代者。