一種柔性襯底上納米半導(dǎo)體多孔電極材料的燒結(jié)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種柔性襯底上納米半導(dǎo)體多孔電極材料的燒結(jié)方法，包括：在柔性襯底上鍍有透明導(dǎo)電薄膜，在透明導(dǎo)電薄膜上均勻涂覆納米半導(dǎo)體顆粒漿，用手工或機(jī)械壓制，形成納米半導(dǎo)體薄膜；選擇超短脈沖激光作為激光源，調(diào)節(jié)激光光路，通過物鏡聚焦在納米半導(dǎo)體薄膜適當(dāng)深度內(nèi)；當(dāng)超短脈沖激光的強(qiáng)度大于等于多光子吸收閾值時，納米半導(dǎo)體薄膜發(fā)生多光子吸收電離，價帶電子躍遷到導(dǎo)帶，晶格發(fā)生弱化；納米半導(dǎo)體薄膜表面發(fā)生熔化，相鄰的納米半導(dǎo)體顆粒連接在一起；隨著超短脈沖激光焦點(diǎn)在整個納米半導(dǎo)體薄膜上的掃描，把所有納米半導(dǎo)體顆粒連接起來，形成網(wǎng)絡(luò)即實現(xiàn)了燒結(jié)。本發(fā)明提高了納米半導(dǎo)體多孔薄膜電極的燒結(jié)質(zhì)量，避免了對柔性襯底本身性能的影響。
【專利說明】ー種柔性襯底上納米半導(dǎo)體多孔電極材料的燒結(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電極材料燒結(jié)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及ー種柔性襯底上納米半導(dǎo)體多孔電極材料的燒結(jié)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]柔性太陽能電池具有質(zhì)量輕，而且可以折疊、卷曲、攜帯方便等優(yōu)點(diǎn)，只要光電轉(zhuǎn)換率達(dá)到應(yīng)用水平，市場前景將非常廣泛。納米半導(dǎo)體多孔薄膜電極作為染料敏化太陽電池的關(guān)鍵組成部分之一，其結(jié)構(gòu)和性能不僅影響染料敏化劑的吸附、入射光在多孔薄膜內(nèi)的傳輸，還承擔(dān)光生電子在多孔薄膜內(nèi)傳輸和轉(zhuǎn)移的媒介作用。但是，柔性襯底較低的耐熱性(例如，PE塑料的耐熱溫度約為150°C )限制了納米半導(dǎo)體多孔薄膜電極的燒結(jié)(例如，納米TiO2的燒結(jié)溫度為450-500°C )，因此，機(jī)械穩(wěn)定性較低，納米顆粒之間電連接較弱，與襯底連接較弱，致使電池整體性能下降。
[0003]利用連續(xù)激光/長脈沖紫外激光燒結(jié)，可部分提高納米半導(dǎo)體多孔薄膜電極燒結(jié)質(zhì)量，但是，納米半導(dǎo)體顆粒連接不夠好，影響了電子傳輸。這是由于連續(xù)激光/長脈沖激光作用的穿透深度約為I微米，即激光能量是在這I微米深度內(nèi)吸收，而納米半導(dǎo)體顆粒薄膜厚度大于10微米，表面I微米以下完全靠熱擴(kuò)散來進(jìn)行燒結(jié)，對柔性襯底的影響較大。要保持柔性襯底不受影響，必須降低激光能流密度，致使燒結(jié)質(zhì)量達(dá)不到理想的效果。
[0004]綜上所述，納米半導(dǎo)體多孔薄膜電極燒結(jié)質(zhì)量成為柔性染料敏化太陽電池性能提聞的瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了ー種柔性襯底上納米半導(dǎo)體多孔電極材料的燒結(jié)方法，本發(fā)明提高了納米半導(dǎo)體多孔薄膜電極的燒結(jié)質(zhì)量，避免了對柔性襯底本身性能的影響，詳見下文描述:
[0006]ー種柔性襯底上納米半導(dǎo)體多孔電極材料的燒結(jié)方法，所述方法包括以下步驟:
[0007]在柔性襯底上鍍有透明導(dǎo)電薄膜，在導(dǎo)電薄膜上均勻涂覆納米半導(dǎo)體顆粒漿，用手工或機(jī)械壓制的方式，形成納米半導(dǎo)體薄膜；
[0008]選擇ー種可以透過納米半導(dǎo)體薄膜的超短脈沖激光作為激光源，調(diào)節(jié)激光光路，使得超短脈沖激光通過物鏡聚焦在納米半導(dǎo)體薄膜適當(dāng)深度內(nèi)，使得焦點(diǎn)體積覆蓋納米半導(dǎo)體薄膜以及導(dǎo)電薄膜表面層；
[0009]當(dāng)超短脈沖激光的強(qiáng)度大于等于多光子吸收閾值時，納米半導(dǎo)體薄膜發(fā)生多光子吸收電離，價帶電子躍遷到導(dǎo)帯，晶格發(fā)生弱化；
[0010]納米半導(dǎo)體薄膜表面發(fā)生熔化，相鄰的納米半導(dǎo)體顆粒連接在一起；隨著超短脈沖激光焦點(diǎn)在整個納米半導(dǎo)體薄膜上的掃描，把所有納米半導(dǎo)體顆粒連接起來，形成網(wǎng)絡(luò)即實現(xiàn)了燒結(jié)。
[0011]所述柔性襯底的材料為高分子材料柔性襯底。[0012]所述導(dǎo)電薄膜的材料為半導(dǎo)體透明導(dǎo)電薄膜。
[0013]所述超短脈沖激光為飛秒脈沖激光或皮秒脈沖激光。
[0014]本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是:本發(fā)明采用的超短脈沖激光通過物鏡覆蓋到納米半導(dǎo)體顆粒薄膜和透明導(dǎo)電薄膜上，當(dāng)超短脈沖激光強(qiáng)度大于等于電離閾值光強(qiáng)之后，通過激光掃描，把所有納米半導(dǎo)體顆粒連接起來，形成網(wǎng)絡(luò)即實現(xiàn)了燒結(jié)；該發(fā)明解決了柔性襯底上納米半導(dǎo)體多孔薄膜電極的燒結(jié)質(zhì)量問題，保持了柔性襯底本身的性能不受影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明采用的各器件之間的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明的流程圖。
[0017]附圖中，各部件的列表如下:
[0018]1:激光光束；2:物鏡；
[0019]3:納米半導(dǎo)體顆粒薄膜；4:透明導(dǎo)電薄膜；
[0020]5:柔性襯底。
【具體實施方式】
[0021]為使本發(fā)明的目的`、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進(jìn)ー步地詳細(xì)描述。
[0022]為了提高納米半導(dǎo)體多孔薄膜電極的燒結(jié)質(zhì)量，避免對柔性襯底本身性能的影響，本發(fā)明實施例提供了ー種柔性襯底上納米半導(dǎo)體多孔電極材料的燒結(jié)方法，參見圖1和圖2，詳見下文描述:
[0023]超短脈沖(脈沖寬度小于I皮秒)激光焦點(diǎn)處的光強(qiáng)極高，可實現(xiàn)多光子吸收，因此，超短脈沖激光可以進(jìn)入透明材料內(nèi)部，在焦點(diǎn)處進(jìn)行激光處理。而且，激光作用時間短，熱影響區(qū)小。一般來講，激光作用的熱積累效應(yīng)，隨激光脈沖重復(fù)率增加而增加，熱影響區(qū)范圍也越大，但是，當(dāng)脈沖間隔時間縮短到比激光熱作用向焦點(diǎn)外擴(kuò)散所需的時間還要短的時候，激光熱作用只發(fā)生在焦點(diǎn)體積內(nèi)，也就是說，高重復(fù)率并沒有加劇熱擴(kuò)散。高重復(fù)率(大于IMHz)飛秒激光，表現(xiàn)為以熱積累效應(yīng)為主，大大降低了激光加工所需脈沖能量，有效減小了熱影響區(qū)范圍。與長脈沖激光燒結(jié)技術(shù)相比，高重復(fù)率飛秒激光所需的激光能流密度更低，熱擴(kuò)散距離更短。
[0024]另外，由于電子與晶格的熱耦合時間(典型的是幾個皮秒)遠(yuǎn)大于超短脈沖激光的脈沖寬度，電子沒有足夠的時間把吸收的能量轉(zhuǎn)移給晶格，當(dāng)激光能流密度大于半導(dǎo)體材料表面損傷閾值時，價帶電子被激發(fā)，躍遷到導(dǎo)帶，弱化了晶格原子的化學(xué)鍵，導(dǎo)致表面發(fā)生超快熔化，這種熔化只是發(fā)生在納米顆粒表面，不損傷顆粒內(nèi)部，可實現(xiàn)納米顆粒間的連接。在納米顆粒間形成良好連接的同吋，熱影響區(qū)的存在也可以增強(qiáng)這個納米半導(dǎo)體顆粒多孔薄膜與柔性襯底上透明導(dǎo)電薄膜的連接。
[0025]因此，高重復(fù)率飛秒激光燒結(jié)，即可以實現(xiàn)納米半導(dǎo)體顆粒的連接，達(dá)到高溫下燒結(jié)的質(zhì)量，又實現(xiàn)了與襯底的良好粘接，并且保持了柔性襯底不受影響。
[0026]101:在柔性襯底上鍍有透明導(dǎo)電薄膜，在導(dǎo)電薄膜上均勻涂覆納米半導(dǎo)體顆粒漿，用手工或機(jī)械壓制的方式，形成一定厚度的納米半導(dǎo)體薄膜；
[0027]其中，為了提高燒結(jié)的效果，該柔性襯底優(yōu)選為PET高分子材料柔性襯底。半導(dǎo)體薄膜的厚度根據(jù)實際應(yīng)用中的需要進(jìn)行確定，本發(fā)明實施例對此不做限制。
[0028]例如，在PET (聚對苯ニ甲酸こニ醇酷)柔性襯底的鍍有氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電薄膜上均勻涂覆納米半導(dǎo)體顆粒漿，自然晾干，再經(jīng)過100°C烘干30min，形成了一定厚度的納米半導(dǎo)體薄膜。
[0029]102:選擇ー種可以透過納米半導(dǎo)體薄膜的超短脈沖激光作為激光源，調(diào)節(jié)激光光路，使得超短脈沖激光通過物鏡聚焦在納米半導(dǎo)體薄膜適當(dāng)深度內(nèi)，使得焦點(diǎn)體積覆蓋納米半導(dǎo)體薄膜以及導(dǎo)電薄膜表面層；
[0030]其中，由于超短脈沖激光積累的效應(yīng)使得超短脈沖激光作用只局限在焦點(diǎn)中心附近的范圍內(nèi)。
[0031]103:當(dāng)超短脈沖激光的強(qiáng)度大于等于多光子吸收閾值時，納米半導(dǎo)體薄膜發(fā)生多光子吸收電離，價帶電子躍遷到導(dǎo)帯，晶格發(fā)生弱化；
[0032]104:弱化了晶格原子的化學(xué)鍵，導(dǎo)致納米半導(dǎo)體薄膜表面發(fā)生熔化，相鄰的納米半導(dǎo)體顆粒(以及納米顆粒和柔性襯底上的透明導(dǎo)電薄膜)連接在一起；隨著超短脈沖激光焦點(diǎn)在整個納米半導(dǎo)體薄膜上的掃描，把所有納米半導(dǎo)體顆粒(及柔性襯底上透明導(dǎo)電薄膜)連接起來，形成網(wǎng)絡(luò)即實現(xiàn)了燒結(jié)。
[0033]具體實現(xiàn)吋，根據(jù)實際應(yīng)用中的納米半導(dǎo)體顆粒需要確定激光的功率，超短脈沖激光通常選取脈沖寬度為飛秒或皮秒數(shù)量級，既可以為飛秒脈沖激光或皮秒脈沖激光，本發(fā)明實施例對此不做限制。
[0034]下面以具體的實施例來說明該方法的具體操作過程:
[0035]首先，對鍍有氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電薄膜的PET(聚對苯ニ甲酸こニ醇酷)柔性襯底進(jìn)行清洗；然后，配制質(zhì)量比為20%的納米TiO2顆粒(直徑10?30納米)こ醇懸濁液，電磁攪拌2h，形成漿液，將漿液均勻涂在氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電薄膜上，用手木刀法成膜，厚度為10?15微米；其次，采用脈沖寬度為I?100飛秒、重復(fù)頻率為2?50.0MHz,功率為I?20W、波長為1040nm的飛秒放大器作為激光源；使飛秒脈沖激光通過數(shù)值孔徑為0.05?0.20物鏡5聚焦在納米TiO2半導(dǎo)體薄膜內(nèi)適當(dāng)深度上，使得焦點(diǎn)體積覆蓋納米TiO2半導(dǎo)體薄膜以及下面的導(dǎo)電薄膜表面層。當(dāng)飛秒脈沖激光強(qiáng)度大于等于納米半導(dǎo)體薄膜的多光子吸收電離閾值光強(qiáng)時，焦點(diǎn)中心附近的納米半導(dǎo)體顆粒表面發(fā)生多光子吸收電離，價帶電子躍遷到導(dǎo)帶，弱化了晶格原子的化學(xué)鍵，導(dǎo)致表面電子的熔化，將相鄰的納米TiO2顆粒，以及納米TiO2顆粒和導(dǎo)電氧化銦錫薄膜連接在一起。隨著激光以適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)行掃描，把整個納米TiO2薄膜內(nèi)的納米顆粒(以及氧化銦錫薄膜)連接在一起。
[0036]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是ー個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。
[0037]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.ー種柔性襯底上納米半導(dǎo)體多孔電極材料的燒結(jié)方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 在柔性襯底上鍍有透明導(dǎo)電薄膜，在導(dǎo)電薄膜上均勻涂覆納米半導(dǎo)體顆粒漿，用手工或機(jī)械壓制的方式，形成納米半導(dǎo)體薄膜； 選擇ー種可以透過納米半導(dǎo)體薄膜的超短脈沖激光作為激光源，調(diào)節(jié)激光光路，使得超短脈沖激光通過物鏡聚焦在納米半導(dǎo)體薄膜適當(dāng)深度內(nèi)，使得焦點(diǎn)體積覆蓋納米半導(dǎo)體薄膜以及導(dǎo)電薄膜表面層； 當(dāng)超短脈沖激光的強(qiáng)度大于等于多光子吸收閾值時，納米半導(dǎo)體薄膜發(fā)生多光子吸收電離，價帶電子躍遷到導(dǎo)帯，晶格發(fā)生弱化； 納米半導(dǎo)體薄膜表面發(fā)生熔化，相鄰的納米半導(dǎo)體顆粒連接在一起；隨著超短脈沖激光焦點(diǎn)在整個納米半導(dǎo)體薄膜上的掃描，把所有納米半導(dǎo)體顆粒連接起來，形成網(wǎng)絡(luò)即實現(xiàn)了燒結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種柔性襯底上納米半導(dǎo)體多孔電極材料的燒結(jié)方法，其特征在于，所述柔性襯底的材料為高分子材料柔性襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種柔性襯底上納米半導(dǎo)體多孔電極材料的燒結(jié)方法，其特征在于，所述導(dǎo)電薄膜的材料為透明半導(dǎo)體導(dǎo)電薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種柔性襯底上納米半導(dǎo)體多孔電極材料的燒結(jié)方法，其特征在于，所述超短脈沖激光為飛秒脈沖激光或皮秒脈沖激光。
【文檔編號】H01G9/052GK103531360SQ201310468445
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月8日
【發(fā)明者】賈威, 于儉, 劉博文, 胡明烈, 柴路, 王清月 申請人:天津大學(xué)