德国莱布尼兹光子技术研究所:叶脉结构启发电极设计

Biomimic Vein-Like Transparent Conducting Electrodes with Low Sheet Resistance and Metal Consumption

Guobin Jia*, Jonathan Plentz, Andrea Dellith, Christa Schmidt, Jan Dellith, Gabriele Schmidl, Gudrun Andrä
Nano-Micro Lett.(2020)12:19
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0359-9
本文亮点

1 从叶脉网络的物质输运功能出发,模拟了金属化叶脉网络的电传输。
2 叶脉状透明导电电极具有极低的膜电阻<0.1Ω/□宽光谱范围的透光性>80%, 高电流密度输送能力>6000 A/cm2
3 金属的消耗可以低到4 g/m2
研究背景

植物叶脉具有优异的双向传输结构高效利用资源的能力, 一方面它可以把水和养分传输和分配到叶细胞上面, 另一方面它可以收集光合作用产生的碳水化合物,把这些产物传输到植物的其他部分以供植物生长。这个特性与很多光电器件所用的电极的作用非常相似, 比如太阳能电池的前电极主要是收集和传输产生的电流。本文利用叶脉的传输特性,生物仿真了金属化叶脉结构的电子传输的特性,发现一些叶脉结构具有优异的光电特性, 在保持高的透光率的同时可以大大降低方块电阻,而且可以传输很高的电流密度。另外我们也发现叶脉结构具有非常好的资源利用率,金属的消耗非常低。

内容简介

本工作通过对叶脉传输特性进行了生物仿真研究,阐述了叶脉的双向传输特性以及这个特性与光电子器件所用电极的相似性,特别是与太阳能电池前电极的相似点。指出了目前主流的H-梳状电极的主要缺点是对缺陷非常敏感,特别是栅线破损对太阳能电池的性能影响非常大, 而均一的栅线宽度也导致了用来制作电极所需的银的大量消耗,造成很大浪费。而叶脉结构可以通过网络来传输电流,所以对缺陷不敏感,而且它独特的分级结构可以有效的降低资源的消耗。本研究采用无电(也称为化学)镀铜的方法,在叶脉上实现了均匀镀铜,从而把叶脉转化为透明导电电极。本工作研究了镀铜叶脉的光电特性,和单位面积的金属的消耗,发现镀铜叶脉状电极具有低于ITO两个数量级的方块电阻,宽光谱范围的高的透光率,以及传输大电流密度的能力和低的金属消耗。
图文导读

I 叶脉的结构和传输特性

简单介绍了叶脉的结构(a),以及它的构造和传输特性(b)。以太阳能电池的前电极为例,论述了和叶脉结构的相似性,讨论了目前太阳能电池前电极的缺点。而叶脉网络结构的电极可以通过整个网络传输电流,大大降低了对栅线破损的敏感度,这种分形结构也有利于降低用于制造电极的贵金属的消耗(c)。用实验方法展示了叶脉双向传输水的功能 (d, e)。

图1 a)以玉兰花树叶的叶脉为例,描述了叶脉网络结构。 b)图示叶脉的双向传输特性。c)太阳能电池的前电极收集电流的机制。d)实验展示了叶脉从叶面方向收集水,而传向叶柄的功能。e)实验展示了叶脉从叶柄方向收集水,而传向叶面的功能。
II 镀铜叶脉的光电特性, 金属消耗和XRD图谱

我们发现,用无电镀铜的方法给玉兰花叶脉镀铜后,叶脉结构的电极具有宽光谱范围的高的透光率(>80%)以及优异的导电性,可以达到前a)和镀铜后b)的玉兰树的叶脉结构。c)方块电阻和镀铜时间的关系,铜用量和时间的关系。d)不同镀铜时间的叶脉的透光度和波长的关系, 与典型的ITO薄膜的透光性的比较(虚线)。e)叶脉上不同镀铜时间的XRD谱图, 以及一个经过热处理的镀铜叶脉的XRD谱图。f)和文献资料的比较。

图2 a)玉兰花叶脉的显微结构图。b)30分钟无电镀铜后的显微结构图, scale bars for both a and b: 500 µm。 c)面电阻(黑线)和铜消耗 (品红线) 与镀铜时间的关系。d)透光率光谱特性和镀铜时间的关系,一个典型的100 纳米厚的沉积在0.7 毫米 Borofloat glass 的ITO薄膜(虚线)的光谱特性图作为比较。e)铜镀膜的XRD 图谱。f)与最近发表在文献中表面电阻在10 Ω/□和透光率在80% 左右的透明导电电极的比较。

III 银包覆镀铜叶脉

要利用叶脉状电极,特别是在硅基太阳能电池的应用,需要解决在运行中从镀铜电极上游离出来的铜离子扩散到硅基体,从而造成电池效率下降的问题。本次工作中我们在镀铜叶脉上用电镀银的方法来形成一层银的包覆膜,可以把铜膜包覆起来,从而在将来硅基太阳能电池应用中隔离铜源,解决电池效率下降的问题。图3 a,b和c SEM图展示了在镀铜银灰杨叶脉上电镀银的形貌以及横截面的SEM图d。e,f和g图是在横截面用EDX测的镀层主要元素分布图,而h图是EDX测的主要元素分布的混色图。我们进一步发现只需要极少量的银就可以把铜膜包覆起来,大致相当于目前太阳能电池单位面积消耗银量的6%,将来可能大大降低贵金属银的用量。

图3 在镀铜的银灰杨树叶脉表面用电镀的方法包覆一层银。a)30分钟镀银银灰杨树叶脉的SEM图和大放大倍数的SEM图b)和c),以及横截面SEM图d)。 e-g)是用EDX测的横截面上的主要元素C,Cu和Ag分布图。h)EDX主要元素分布的混色图。

IV 镀铜叶脉的高电流密度传输能力

在测方块电阻时发现,镀铜叶脉可以承受很高的电流密度而没有任何损坏,保守计算的情况下在叶脉上可以通过>6000 A/cm2的电流密度。为了直观展示镀铜叶脉大电流密度导电能力,我们用两个鳄鱼夹来连接镀铜叶脉(放在名片上是为了同时直观展示它的透光度),接通市电(230V,50Hz),以此来点亮一个40瓦的灯泡,叶脉在超过1分钟的通电过程中没有任何损坏, 这个过程中通过镀铜叶脉的电流仅仅为174毫安。继续用一个电流源使电流增加到1安培,叶脉仍然没有任何可观测到的变化和损坏。这个特性为大面积和/或者大功率光电器件(如聚光,有机和染料敏化太阳能电池),锂电池,超级电容器的应用铺平了道路。

图4 图示镀铜叶脉的大电流传输能力。a)未通电状态,b)通230伏特的市电点亮40瓦的灯泡(通过电流仅为174 毫安)。c )通过1安培电流。

V 弯折实验

镀铜叶脉可以用作柔性电子器件的柔性电极,我们在这次工作中测试了了镀铜叶脉的弯折性能(a)。为了避免在实验过程中由于接触电阻所造成的误差,我们把叶脉焊接到两片电路板上(b),然后用胶带把它固定到一张纸上面,在不同的弯折角度和半径下测试两端的电阻。我们发现在不同的测试条件下电阻只在一个<3.4%的幅度下有小幅浮动,基本上保持不变。这可以归因于铜具有良好的延展性和柔性的叶脉基体,这个优异的稳定性在柔性器件中是非常需要的。

图5 a)弯折实验的实验设置。b)焊接于两片电路板上的镀铜的玉兰花叶脉,被胶带固定于一张纸上。c)不同弯折半径下电阻和弯折角度的关系。

作者简介

贾国彬

本文通讯作者

德国莱布尼兹光子技术研究所

主要研究领域
纳米材料工艺和能源器件,仿生材料,纳米光电子器件智能纺织品纳米材料自组装镀膜薄膜太阳能电池,半导体器件,新型高能粒子探测器等等。

主要研究成果

共在Solar Energy Materials & Solar cells,Advanced Materials Interfaces,Journal of Physics D: Appl. Phys.,J. Phys. Chem. C,Scientific Reports, ChemPhysChem等期刊发表超过30篇科研文章,累计他引361次。创新的发展了用石墨烯粉体镀膜的工艺,可以实现在高疏水表面以及3维表面的均匀镀膜。在染料敏化电池上实现了用碳纳米材料取代铂电极的工作。专利:Hartpartikeldetektor mit einem Kern-Schale-Aufbau基于核壳结构的高能粒子探测器,获得2016年“纽伦堡国际新主意,新发明,新产品专业展会”银奖。

Email:guobin.jia@leibniz-ipht.de

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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