一种金属银网格埋栅透明导电电极的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属银网格埋栅透明导电电极的制备方法，包括以下步骤：（1）在衬底表面制备排列整齐的划痕沟槽；（2）配制银纳米颗粒溶液，并将其置于衬底表面的划痕沟槽中，干燥后制得电极样品；（3）加热电极样品，使划痕沟槽中的银纳米颗粒相互熔合形成相互连接的金属银网络结构，制成金属银网格埋栅透明导电电极。该方法制成的金属银网格埋栅透明导电电极具有优异的载流子收集效率和较高的透光性，且能提高太阳能电池前电极的导电性，降低反射率，潜在提高电池效率和降低制作成本，且机械和环境稳定性好，适合大面积低成本制备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于透明电极
，具体涉及一种金属银网格埋栅透明导电电极的制备方法。
技术介绍
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源。随着煤炭、石油等不可再生能源的日益枯竭，研究、开发、利用太阳能电池无疑是当前的热点。提高太阳能电池的光电转化效率，降低制备成本是太阳能电池研究和发展的方向。透明导电前电极是太阳能电池中重要的组成部件之一，直接影响电池器件的填充因子和短路电流，进而影响电池的光电转化效率。一般来说，透明导电电极是指对入射光波长范围在380 nm到780 nm之间的光谱的透射率大于80%、且电阻率低于10-3 Ω·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(σDC/σopt, σDC决定电极面电阻，σopt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。正是由于具有上述优点和良好的应用前景，微纳米银线电极近年来受到国内外广泛的关注。微纳米银线用作电极主要包括两种方式，一是液相法大面积制备随机纳米银线薄膜电极，该方式的重要问题在于调控纳米银线薄膜电极的结构，实现纳米银线电极的光学透射率和导电性的协同提高难以实现。二是有序的网格电极，即在衬底表面通过丝网印刷、电子束、聚焦离子束刻蚀等技术获得规则宏观或微纳米尺度栅线。在传统晶体硅太阳能电池中，银浆栅线电极被大量使用。通过丝网印刷和后续的高温（~ 800℃）退火得到银浆栅线电极。但这种大尺寸栅线电极对电池前表面造成了明显的阴影效应，增加了前表面对入射光的反射率（为表面总反射率的~ 15%）；而且这些栅线间距很大，为了获得较好的导电性，电池表面发射极都采用了n++重掺杂，而造成表面发射极载流子复合概率明显增加，降低电池的短波吸收率，从而降低整个发射极的性能和电池的效率。单晶硅太阳能电池的理论效率上限值达~33%，而现有产业化电池平均效率约为16~ 20%，传统栅线电极及其现有工艺是其效率差别来源之一。另外，其昂贵的制备方法（丝网印刷、离子束和电子束刻蚀等）也大幅地提高了电池成本。因此，如何低成本地制备具有优异光电特性，良好的面内和接触电阻，及其良好附着力和机械环境稳定性等优异特征的微纳米尺度栅线电极成为光伏应用领域的关键问题。同时网格透明导电电极也是触摸屏，显示等器件的关键部件，决定这些器件的性能。所以低成本制备微纳米级金属栅线透明电极对光伏，触摸屏显示等行业的有着重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种金属银网格埋栅透明导电电极的制备方法，该方法制成的金属银网格埋栅透明导电电极能提高太阳能电池前电极的导电性，降低反射率，潜在提高电池效率和降低制作成本，且机械和环境稳定性好，适合大面积低成本制备。本专利技术的上述目的是通过如下技术方案来实现的：一种金属银网格埋栅透明导电电极的方法，包括以下步骤： （1）在衬底表面制备排列整齐的划痕沟槽；（2）配制银纳米颗粒溶液，并将其置于衬底表面的划痕沟槽中，干燥后制得电极样品；（3）加热电极样品，使划痕沟槽中的银纳米颗粒相互熔合形成相互连接的金属银网络结构，制成金属银网格埋栅透明导电电极。本专利技术步骤（1）中所述衬底优选为PET（聚对苯二甲酸乙二酯）透明材料衬底或PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）透明材料衬底等。本专利技术步骤（1）中所述划痕沟槽优选通过下述方法制备获得：在衬底上用整齐堆叠在一起的刀片组在衬底表面划出排列整齐的划痕沟槽，获得刀刃划痕衬底。本专利技术所述的刀片可以为刮胡刀片或美工刀片等。本专利技术步骤（1）中所述刀片组片数优选为20~100片，下压力优选为20~300N。本专利技术步骤(2)中所述银纳米颗粒溶液制备过程为：A1：取乙二醇，加热至120~180℃（优选为160℃），保持5~13分钟（优选为10分钟），得乙二醇溶液；A2：将硝酸银溶液和表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮溶液加入到步骤（A1）中的乙二醇溶液中，高速搅拌8~12分钟（优选为10分钟），待溶液颜色变成土黄色后停止加热，得混合液； A3：待步骤（A2）中的混合液冷却后，加入乙醇或甲醇稀释，洗涤，离心，除去上清液；A4：重复步骤（A3），取下层沉淀物，并用甲醇稀释，超声形成均匀的纳米银甲醇胶体悬浮液，即银纳米颗粒溶液。本专利技术步骤（A2）中所述的硝酸银溶液和表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮溶液的摩尔浓度比优选为1: 4.5 ~ 10。本专利技术步骤（A3）中乙醇或甲醇的体积优选为混合液体积的5~10倍。本专利技术步骤（A4）中甲醇的体积优选与下层沉淀物的体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属银网格埋栅透明导电电极的制备方法，其特征是包括以下步骤：（1）在衬底表面制备排列整齐的划痕沟槽；（2）配制银纳米颗粒溶液，并将其置于衬底表面的划痕沟槽中，干燥后制得电极样品；（3）加热电极样品，使划痕沟槽中的银纳米颗粒相互熔合形成相互连接的金属银网络结构，制成金属银网格埋栅透明导电电极。

【技术特征摘要】
1.一种金属银网格埋栅透明导电电极的制备方法，其特征是包括以下步骤：
（1）在衬底表面制备排列整齐的划痕沟槽；
（2）配制银纳米颗粒溶液，并将其置于衬底表面的划痕沟槽中，干燥后制得电极样品；
（3）加热电极样品，使划痕沟槽中的银纳米颗粒相互熔合形成相互连接的金属银网络结构，制成金属银网格埋栅透明导电电极。
2.根据权利要求1所述的金属银网格埋栅透明导电电极的制备方法，其特征是：步骤（1）中所述衬底为PET透明材料衬底或PMMA透明材料衬底。
3.根据权利要求1所述的金属银网格埋栅透明导电电极的制备方法，其特征是：步骤（1）中所述的划痕沟槽通过以下方法制备获得：采用整齐堆叠在一起的刀片组在衬底表面划出排列整齐的划痕沟槽。
4.根据权利要求3所述的金属银网格埋栅透明导电电极的制备方法，其特征是：所述的刀片组的片数为20~100片，下压力为20~300N。
5.根据权利要求1所述的金属银网格埋栅透明导电电极的制备方法，其特征是：步骤（2）中所述的银纳米颗粒溶液的制备过程为：
A1：取乙二醇，加热至120~180℃，保持5~13分钟，得乙二醇溶液；
A2：将硝酸银溶液和表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮溶液加入到步骤（A1）中的乙二醇溶液中，高速搅拌8~12分钟，待溶液颜色变成土黄色后停止加热，得混合液； 
A3：待步骤（A2）中的混合液冷却后，加入乙醇或甲醇稀释，洗...

【专利技术属性】
技术研发人员：高进伟，黄苑林，韩兵，陈晓鹏，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44