近乎看不見的電極

■光電元件使用的電極可不是電解實驗中一根銅棒或石墨棒,而是一層透明卻又能導電的玻璃。

Credit: ICFO
Credit: ICFO

撰文|方程毅

電極在大部分人的想像應該從中學理化課本來,一根金屬或是石墨棒插入溶液中;又或是像乾電池一樣是個金屬外殼。以電池或電解的應用所需來說,這些材料非常適合且實用。但是,在光電元件中,電極不只肩負導電的功能,還必須透光。因此必須使用能透光又能導電的「透明導電膜」(transparent conducting film)。

內文示意圖為大部分光電元件的基本架構:PN 接面電子電洞對結合產生光(太陽能電池則是光進到元件中被吸收,進而形成電子電洞對),電子電洞的產生須由外界注入電流,因此需要電極。但用於傳統電極的金屬或石墨都不透光,如果用這些材料當電極,就算元件內部產生光也送不出來(外界的光也進不去),因此需要一層導電且光能穿透的透明電極。

光電元件架構圖
光電元件架構圖

目前最常見到的透明電極是在玻璃上鍍一層100奈米左右氧化銦錫(Indium Tin Oxide,通常簡稱為ITO),ITO 玻璃被廣泛應用在各種光電元件中,包括:顯示器、發光二極體(LED)、智慧型手機及太陽能電池等等。一般 ITO 玻璃的光穿透率大約是85%左右(也就是損失15%),其導電度雖佳但仍不如金屬,尚有改善空間。要提升透明電極的品質,一是提升穿透率、二是提升導電度,但有一好沒兩好,常常提升穿透率就犧牲了導電度;導電度上升穿透率卻又下降。不僅如此ITO機械性質不佳,易破碎,且需要高溫製成。而應用端卻又相當需要製程簡易、又能彎折的透明電極。

近來研發出的新型穿透電極包括利用石墨稀(graphene)、超薄金屬、摻鋁氧化鋅(Al-doped ZnO (AZO))、奈米碳管(carbon nanotube, CNT) 或導電高分子等等。西班牙光子科學研究所(The Institute of Photonic Sciences(ICFO))及ICERA (Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats)最近研發出穿透率高達90%且電阻只有一般商用 ITO 玻璃40%左右的穿透電極,其研究稱果發表於《自然‧通訊》(Nature Communications)。

這項研究將二氧化鈦(TiO2)、銀薄膜及摻鋁氧化鋅(AZO)依序鍍在玻璃基板上,並分別調整三層薄膜的厚度使其在可見光具有破壞性干涉,以增加穿透率。這是相當典型的薄膜工程,透過堆積不同薄膜並控制厚度,讓光經過時形成破壞性干涉以增加穿透率(或減少反射)。實驗結果顯示將25奈米二氧化鈦(TiO2)、12奈米銀薄膜及40奈米摻鋁氧化鋅鍍在玻璃上後會同時具有高穿透及高導電度。

這三個材料皆是光電工程常見的材料,銀薄膜由於其金屬性具備低電阻讓導電度提升,且厚度只有20nm,並不像想像中的銀完全不透光。但就算20nm的銀可以透光,但還是無法滿足穿透電極所需,因此必須設計抗反射層以增加進光量。本研究所使用的多層膜設計正好彌補了銀薄膜穿透性不佳的缺點,同時受益於銀絕佳的導電能力。

論文作者 Valerio Pruneri 教授表示:「我們用了一個簡單的設計便達到目前為止表現最佳的穿透電極,其同時具備許多業界所需的優越性質。」

 

原始論文: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).

參考資料:

  1. An Invisible Electrode
  2. ICFO-The Institute of Photonic Sciences. "An invisible electrode." ScienceDaily. ScienceDaily, 19 December 2016. 

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

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