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近乎看不见的电极


2017/2/7 15:16:12 编辑:admin 来源:本站整理 
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光电元件使用的电极可不是电解实验中一根铜棒或石磨棒, 而是一层透明却又能导电的玻璃。


 

Credit: ICFO


 

电极在大部分人的想像应该从中学理化课本来, 一根金属或是石磨棒插入溶液中;又或是像干电池一样是个金属外壳。 以电池或电解的应用所需来说, 这些材料非常适合且实用。 但是, 在光电元件中, 电极不只肩负导电的功能, 还必须透光。 因此必须使用能透光又能导电的「透明导电膜」(transparent conducting film)。


 

内文示意图为大部分光电元件的基本架构:PN 接面电子电洞对结合产生光(太阳能电池则是光进到元件中被吸收, 进而形成电子电洞对), 电子电洞的产生须由外界注入电流, 因此需要电极。 但用于传统电极的金属或石磨都不透光, 如果用这些材料当电极, 就算元件内部产生光也送不出来(外界的光也进不去), 因此需要一层导电且光能穿透的透明电极。


 


 

光电元件架构图


 

目前最常见到的透明电极是在玻璃上镀一层100奈米左右氧化铟锡(Indium Tin Oxide, 通常简称为ITO), ITO 玻璃被广泛应用在各种光电元件中, 包括:显示器、发光二极体(LED)、智慧型手机及太阳能电池等等。 一般 ITO 玻璃的光穿透率大约是85%左右(也就是损失15%), 其导电度虽佳但仍不如金属, 尚有改善空间。 要提升透明电极的品质, 一是提升穿透率、二是提升导电度, 但有一好没两好, 常常提升穿透率就牺牲了导电度;导电度上升穿透率却又下降。 不仅如此ITO机械性质不佳, 易破碎, 且需要高温制成。 而应用端却又相当需要制程简易、又能弯折的透明电极。


 

近来研发出的新型穿透电极包括利用石墨稀(graphene)、超薄金属、掺铝氧化锌(Al-doped ZnO (AZO))、奈米碳管(carbon nanotube, CNT) 或导电高分子等等。 西班牙光子科学研究所(The Institute of Photonic Sciences(ICFO))及ICERA (Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats)最近研发出穿透率高达90%且电阻只有一般商用 ITO 玻璃40%左右的穿透电极, 其研究称果发表于《自然‧通讯》(Nature Communications)。


 

这项研究将二氧化钛(TiO2)、银薄膜及掺铝氧化锌(AZO)依序镀在玻璃基板上, 并分别调整三层薄膜的厚度使其在可见光具有破坏性干涉, 以增加穿透率。 这是相当典型的薄膜工程, 透过堆积不同薄膜并控制厚度, 让光经过时形成破坏性干涉以增加穿透率(或减少反射)。 实验结果显示将25奈米二氧化钛(TiO2)、12奈米银薄膜及40奈米掺铝氧化锌镀在玻璃上后会同时具有高穿透及高导电度。


 

这三个材料皆是光电工程常见的材料, 银薄膜由于其金属性具备低电阻让导电度提升, 且厚度只有20nm, 并不像想像中的银完全不透光。 但就算20nm的银可以透光, 但还是无法满足穿透电极所需, 因此必须设计抗反射层以增加进光量。 本研究所使用的多层膜设计正好弥补了银薄膜穿透性不佳的缺点, 同时受益于银绝佳的导电能力。


 

论文作者 Valerio Pruneri 教授表示:「我们用了一个简单的设计便达到目前为止表现最佳的穿透电极, 其同时具备许多业界所需的优越性质。 」


 

原始论文:Maniyara, Rinu Abraham, Vahagn K. Mkhitaryan, Tong Lai Chen, Dhriti Sundar Ghosh, and Valerio Pruneri. "An antireflection transparent conductor with ultralow optical loss (< 2%) and electrical resistance (< 6 Ω sq− 1)." Nature Communications 7 (2016).

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