TWI486974B - 透明導電薄膜之形成方法 - Google Patents
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Description
本發明係揭露一種應用於光電元件之透明導電薄膜，更特別地是有關於一種利用含碳材料所形成之透明導電薄膜。
可撓性光電元件可以廣泛的應用在顯示元件、太陽能電池、感測器以及手持通訊系統。在光電元件中，較常利用高導電性銦錫氧化物(ITO,indium tin oxide)以做為透明電極。然而，複雜的製程程序以及較差的機械可撓性質，大大限制了銦錫氧化物在可撓性系統中的應用範圍。
然而，在形成前述銦錫氧化物的過程中，該金屬氧化物會造成一些問題，例如當薄膜形成時會容易發生龜裂的現象、須在高溫塗佈濺鍍(coat sputtering)製程形成以及需使用大量的銦(indium)等，除了增加處理技術的難度，更增加了製造成本。
因此，本發明為了改善習知技術中的透明導電薄膜之缺點，係提供了一種可使用於透明導電電極之透明碳材料導電薄膜，且其同時可以增加光電元件之效率與改善元件之穩定度。
根據習知技術之缺點，本發明的主要目的是揭露一種利用含碳材料做為可撓性透明導電薄膜以做為光電元件之電極修飾層。
本發明的另一目的是藉由摻雜之添加物改變可撓性透明導電薄膜之功函數，以增加光電元件的效率。
根據上述目的，本發明揭露一種透明導電薄膜之形成方法，其步驟包括：提供含碳材料；將含碳材料置放於第一溶液中，使得含碳材料分散在第一溶液中；於第一溶液中加入添加物以形成第二溶液；以及將第二溶液形成在基板上以做為透明導電薄膜。
在本發明之一實施例中，上述之含碳材料包括石墨、石墨烯、奈米碳管、活性碳及氧化石墨烯。
在本發明之一實施例中，上述之含碳材料之氧化處理係包含利用一過錳酸鉀(KMnO4
)溶液或一硫酸(H2
SO4
)溶液。
在本發明之一實施例中，上述之第一溶液包括水或有機溶劑。
在本發明之一實施例中，上述之添加物包括含IA族鹽類及含IIA族鹽類。
在本發明之一實施例中，上述之添加物為高分子。
在本發明之一實施例中，上述之第二溶液形成在該基板之方法包括噴鍍、旋轉塗佈(spin-coating)、噴墨或是網印(screen printing)。
在本發明之一實施例中，上述之基板包括玻璃基板。
根據上述之目的，本發明還提供另一透明導電薄膜之形成方法，其步驟包括：提供含碳材料且含碳材料置於有機溶劑內；加入界面活性劑於含碳材料以形成第一溶液；震盪第一溶液使得含碳材料懸浮在第一溶液中；於第一溶液中加入添加物以形成第二溶液；以及將第二溶液形成在基板上以做為透明導電薄膜。
在本發明之一實施例中，上述之含碳材料包括石墨、石墨烯、奈米碳管、活性碳及氧化石墨烯。
在本發明之一實施例中，上述之界面活性劑包括氧化石墨烯與高分子。
在本發明之一實施例中，上述之震盪第一溶液係利用超音波震盪裝置。
在本發明之一實施例中，上述之添加物包括含IA族鹽類及含IIA族鹽類。
在本發明之一實施例中，上述之添加物為高分子。
在本發明之一實施例中，上述之將第二溶液形成在基板上之方法包括噴鍍、旋轉塗佈(spin-coating)、噴墨或是網印(screen printing)。
在本發明之一實施例中，上述之基板包括玻璃基板。
故而，關於本發明之優點與精神可以藉由以下發明詳述及附圖式解說來得到進一步的瞭解。
請先參考第1圖之本發明實施例。於第1圖中係表示形成透明導電薄膜之各步驟流程示意圖。在第1圖中，步驟11係先提供一含碳材料(carbon-containing material)，其含碳材料包括石墨、石墨烯、奈米碳管、活性碳及氧化石墨烯。
接著，於第1圖之步驟13，係將含碳材料置放在第一溶液中，並且藉由攪拌之後讓含碳材料分散在第一溶液內，其中第一溶液包含水或是有機溶劑，例如酒精。
於第1圖之步驟15，於第一溶液中加入一添加物以形成第二溶液，其中添加物包含IA族鹽類及II族鹽類之碳酸鹽或是鹵素鹽或者是高分子，其中IA族鹽類包含有鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)、銫(Cs)及鈁(Fr)等、II族鹽類包括鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)及鐳(Ra)。
最後，於第1圖之步驟17，係將第二溶液形成在基板上以做為光電元件中之透明導電薄膜。於此步驟中，將第二溶液形成在基板上的方式包括噴鍍、旋轉塗佈(spin-coating)、噴墨或是網印(screen printing)，基板可以是玻璃基板。
於本發明之另一實施例中，含碳材料可先進行氧化處理，其氧化步驟包含：將含碳材料置放於酸性溶液利如過錳酸鉀(KMnO4
)或是硫酸(H2
SO4
)溶液中，藉以改變含碳材料成為已氧化之含碳材料。
此外，本發明還揭露另一種形成透明導電薄膜之各步驟流程示意圖。
在第2圖中，步驟21係先提供一含碳材料，並且將此含碳材料置於有機溶劑內，例如酒精。
接著於第2圖之步驟23，將界面活性劑加入具有含碳材料之有機溶劑內以形成第一溶液。於該步驟中，其界面活性劑包括氧化石墨烯與高分子。
再於第2圖之步驟25，係將第一溶液置於震盪裝置中進行震盪，使得含碳材料可懸浮在第一溶液中。於此步驟中，所使用的震盪裝置包括超音波震盪器。
接著於第2圖之步驟27，係於第一溶液中加入添加物以形成第二溶液。與前一實施例相同，其添加物包含IA族鹽類及II族鹽類之碳酸鹽或是鹵素鹽或者是高分子，其中IA族鹽類包含有鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)、銫(Cs)及鈁(Fr)等、II族鹽類包括鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)及鐳(Ra)。
最後，於第2圖之步驟29，係將第二溶液形成在基板上以做為光電元件中之透明導電薄膜。於此步驟中，將第二溶液形成在基板上的方式包括噴鍍、旋轉塗佈(spin-coating)、噴墨或是網印(screen printing)，基板可以是玻璃基板。
接著請同時參考第3(a)圖及第3(b)圖，其係分別表示導電度與穿透度對厚度的變化。
如第3(a)圖係為具有數個沉積層的透明導電薄膜(氧化石墨-單壁奈米碳管薄膜(rGO-SWCNTs))，而第3(b)圖係為利用本發明揭露之形成方法之具有表面阻抗之透石墨-單壁奈米碳管薄膜以及其複合物(composite)。故於本發明所形成之石墨-單壁奈米碳管薄膜的表面阻值隨著混合的奈米碳管而降低，由於在氧化石墨-單壁奈米碳管薄膜之間的間隙係由具有單獨的單壁奈米碳管(SWCNTs)的延展結合型網路所連接。較大的石墨片材係覆蓋在主要的總表面積上；CNTs做為導線將較大的襯墊(pad)彼此連接起來。且片材係利用四點探針來進行量測。因此由從實驗結果可看出利用本發明所揭露之方法所形成的氧化石墨-單壁奈米碳管薄膜有非常高的穿透度與導電度。
第4圖表示經混摻不同摻雜物後導電薄膜功函數的變化，係為UPS光譜圖。其中氧化石墨-單壁奈米碳管薄膜在摻雜碳酸鋰(Li2CO3)及碳酸銫之後的w值分別為4.6電子伏特(eV)及3.4電子伏特。而氧化石墨-單壁奈米碳管薄膜之Φw值可由UPS二次電子截斷區域(secondary electron cut off)計算得到。因此，由此數據證明使用本方法可有效調整導電薄膜功函數。
接著，第5圖係表示氧化石墨-單壁奈米碳管薄膜及銦錫氧化物(ITO)在PET基板上在撓曲角度下之導電度。由第5圖中可以得知，本發明所製備出的薄膜有很好的機械性質(可撓性)，且導電性不會因為撓曲而變化。
因此根據上述的實施例中，藉由添加的鹽類或是高分子來調整該最後欲形成之透明導電薄膜之功函數(work function)，因此就可輕易的在半導體與導體間形成歐姆接面，來有效提升電荷的注入或收集，因此可以提高光電元件的效率與改善元件之穩定度。
11．．．提供一含碳材料
13．．．將含碳材料置放在第一溶液中，並且藉由攪拌之後讓含碳材料分散在第一溶液內
15．．．於第一溶液中加入一添加物以形成第二溶液
17．．．將第二溶液形成在基板上做為光電元件中之透明導電薄膜
21．．．提供一含碳材料，並且將此含碳材料置於有機溶劑內
23．．．將界面活性劑加入具有含碳材料之有機溶劑內以形成第一溶液
25．．．係將第一溶液置於震盪裝置中進行震盪，使得含碳材料可懸浮在第一溶液中
27．．．係於第一溶液中加入添加物以形成第二溶液
29．．．係將第二溶液形成在基板上以做為光電元件中之透明導電薄膜
第1圖係根據本發明所揭露之技術，表示形成透明導電薄膜之各步驟流程示意圖；
第2圖之係根據本發明所揭露之技術，表示形成透明導電薄膜之另一實施例之各步驟流程示意圖；
第3(a)圖及第3(b)圖係根據本發明所揭露之技術，分別表示導電度與穿透度對厚度的變化；
第4圖係根據本發明所揭露之技術，表示經混摻不同摻雜物後導電薄膜功函數的變化；以及
第5圖係根據本發明所揭露之技術，表示氧化石墨-單壁奈米碳管薄膜及銦錫氧化物(ITO)在PET基板上在撓曲角度下之導電度。
11．．．先提供一含碳材料
13．．．將含碳材料置放在第一溶液中，並且藉由攪拌之後讓含碳材料分散在第一溶液內
15．．．於第一溶液中加入一添加物以形成第二溶液
17．．．將第二溶液形成在基板上做為光電元件中之透明導電薄膜
Claims (9)
- 一種以含碳材料形成透明導電薄膜之方法，其步驟包括：提供一含碳材料，其中該含碳材料係由石墨、石墨烯、奈米碳管、活性碳及氧化石墨烯群組中所選出；將該含碳材料置放於一酸性溶液中以進行氧化處理，藉以改變該含碳材料成為已氧化含碳材料；將該已氧化含碳材料置放於一第一溶液中使得該已氧化含碳材料分散在該第一溶液中，其中該第一溶液係由水以及有機溶劑群組中所選出；於該第一溶液中加入一添加物以形成一第二溶液，其中該添加物係由含IA族鹽類以及含IIA族鹽類群組中所選出；以及將該第二溶液形成在一基板上以做為一透明導電薄膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該氧化處理係由利用一過錳酸鉀(KMnO4 )溶液以及利用一硫酸(H2 SO4 )溶液等群組中所選出。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該添加物更包含高分子。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中將該第二溶液形成在該基板上之方法係由噴鍍、旋轉塗佈(spin-coating)、噴墨以及網印(screen printing)等群組中所選出。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該基板包括一玻璃基板。
- 一種以含碳材料形成透明導電薄膜之方法，其步驟包括：提供一含碳材料且該含碳材料置於一有機溶劑內，其中該含碳材料係由石墨、石墨烯、奈米碳管、活性碳以及氧化石墨烯群組中所選出；加入一界面活性劑於該含碳材料以形成一第一溶液，其中該界面活性劑係由氧化石墨烯以及高分子群組中所選出；震盪該第一溶液使得該含碳材料懸浮在該第一溶液中，其中震盪該第一溶液係利用超音波震盪裝置；於該第一溶液中加入一添加物以形成一第二溶液，其中該添加物係由含IA族鹽類，含IIA族鹽類之碳酸鹽類，以及鹵素鹽類群組中所選出；以及將該第二溶液形成在一基板上以做為一透明導電薄膜。
- 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該添加物更包含高分子。
- 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中將該第二溶液形成在該基板上之方法係由噴鍍、旋轉塗佈(spin-coating)、噴墨以及網印(screen printing)等群組中所選出。
- 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該基板包括一玻璃基板。
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