一種基于平面梳齒狀電極結構的透明柔性電化學器件及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種基于平面梳齒狀電極結構的透明柔性電化學器件及其制備方法。該平面電極，包括設于同一透明柔性襯底的陽極和A電極(即陰極或對電極)，所述陽極和A電極均由收集電極和在所述收集電極上平行排列的梳齒狀電極組成，所述陽極與A電極的梳齒狀電極相互交叉排列，所述梳齒狀電極中齒的寬度以及相對交叉排列的梳齒狀電極中相鄰齒之間的距離均在10微米到100微米之間。本發明專利技術的平面梳齒狀結構可以廣泛地應用在電化學器件領域和透明柔性的電子產品領域。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術公開了。該平面電極，包括設于同一透明柔性襯底的陽極和A電極(即陰極或對電極)，所述陽極和A電極均由收集電極和在所述收集電極上平行排列的梳齒狀電極組成，所述陽極與A電極的梳齒狀電極相互交叉排列，所述梳齒狀電極中齒的寬度以及相對交叉排列的梳齒狀電極中相鄰齒之間的距離均在10微米到100微米之間。本專利技術的平面梳齒狀結構可以廣泛地應用在電化學器件領域和透明柔性的電子產品領域。【專利說明】一種基于平面梳齒狀電極結構的透明柔性電化學器件及其制備方法
本專利技術涉及。
技術介紹
隨著新材料和新工藝的發展，各種透明柔性的電子器件正在不斷問世，包括顯示面板、場效應管、發光二極管和太陽能電池等。它們大都基于有機薄膜的襯底，美觀、輕便、容易制造、造價低廉。與傳統的硅基器件相比，在它們的加工過程里，溫度往往控制在200度以下，對能源的消耗非常少，可以減少碳排放量和環境污染。在可以預見的未來，今天人們廣泛使用的電子產品，包括手機、筆記本電腦和平板電腦等，都會被相應的透明柔性的電子產品所替代。為了透明柔性電子產品的整體性和便攜性，需要制造透明柔性的便攜式電源來為電子產品的工作提供能量。目前，便攜式的電源主要有太陽能電池、超級電容器和鋰離子電池。其中，在太陽能電池中，染料敏化電池近年來引人關注，它是一種模擬植物光合作用的電化學系統，具有廉價、便攜的優點。以上這些電源都是基于電化學的體系，在結構上由陽極和陰極構成，在兩極之間填充有電解液。目前這些電化學器件都采用的是所謂的三明治結構，即把陽極和陰極各自加工在平面或者圓柱形的襯底上，然后把兩極面對面地封裝在一起，兩極間的空隙里填充滿電解液(Seung 1.Cha,Yuhyun Kim7Kyu Hyeon Hwang,Yun-Ji Shin, SeonHee Seo and Dong Yoon Lee, Energy Environ.Sc1.2012,5,6071)。雖然在此基礎上已經出現柔性的染料敏化電池、超級電容器和鋰離子電池，但尚無有效手段實現同時具有柔性和透明的器件。近年來，一種基于導電纖維的電化學器件也開始發展起來，已經出現了染料敏化電池(Xing Fan,Zengze Chu,Fuzhi Wang,Chao Zhang,Lin Chen,Yanwei Tang, and Dechun Zou, Adv.Mater.2008, 20, 592)、超級電容器(Yongping Fu, XinCai, Hongwei Wu, Zhibin Lv, Zhaocong Hou, Ming Peng, Xiao Yu, and Dechun Zou, Adv.Mater.2012,10,1002)和鋰離子電池(Yo Han Kwon, Sang-Wook Woo, Hye-RanJung, HyungKyun Yu,Kitae Kim,Byun Hun Oh,Soonho Ahn,Sang-Young Lee,Seung-Wan Song,JaephilCho, Heon-Cheol Shin, and Je Young Kim, Adv.Mater.2012, 24, 5192) ? 它們的主要構造都是在導電的纖維狀基底表面包覆一層電化學活性材料作為工作電極，把兩根電極纖維纏繞或并排在一起，再浸泡在電解液中。但這種結構難以實現大面積的生產，因為傳統的紡織工藝不適合這種纖維，反復地摩擦和拉伸都會導致纖維表面的活性材料層脫落。
技術實現思路
本專利技術的目的之一是提供一種新型的平面電極，使基于電化學體系的電源器件同時具有透明、柔性的性質。本專利技術所提供的平面電極為平面梳齒狀結構，與傳統的三明治式電極結構加以區別。所述平面電極，包括設于同一透明柔性襯底的陽極和A電極(即陰極或對電極)，所述陽極和A電極均由收集電極和在所述收集電極上平行排列的梳齒狀電極組成，所述陽極與A電極的梳齒狀電極相互交叉排列，所述梳齒狀電極中齒的寬度以及相對交叉排列的梳齒狀電極中相鄰齒之間的距離均在10微米到100微米之間。上述平面電極中，所述陽極和陰極的表面都有各自的電化學活性材料，所述陽極或陰極與所述襯底接觸部分為一層導電層，其用來傳輸載流子并增加與有機襯底的附著力。如在染料敏化電池中，陽極中的導電層為ITO薄膜；在超級電容器中，陽極和陰極中的導電層均為Ni薄膜。所述襯底要求是透明柔性的，常規的透明柔性材料均可以作為本專利技術的襯底，例如本專利技術所采用的PET(聚對苯二甲酸乙二酯)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。本專利技術的平面電極可用于制備電化學器件，使其同時具有透明、柔性的性質。本專利技術的再一個目的是基于上述梳齒狀結構平面電極的透明柔性的染料敏化太陽能電池以及超級電容器。所述透明柔性的染料敏化太陽能電池，其包括本專利技術提供的平面電極、填充到所述平面電極內的電解液以及用于封裝所述平面電極和電解質的透明柔性襯底；所述平面電極中的陽極為沉積在ITO薄膜表面的氧化鋅納米線陣列，所述氧化鋅納米線吸收了染料分子。所述陽極中ITO薄膜的厚度通常為100-500nm,具體可為300nm ;所述氧化鋅納米線的長度可為l-ΙΟμπι。所述平面電極中的A電極為對電極，具體可為鉬電極。制備上述染料敏化太陽能電池的方法，包括下述步驟:I)對透明柔性襯底進行等離子清洗，改善其表面對光刻膠的浸潤性；2)在透明柔性襯底表面制備以鉬薄膜為材料的梳齒狀對電極；3)在透明柔性襯底表面制備以ITO薄膜和氧化鋅納米線陣列為材料的梳齒狀光陽極；4)在氧化鋅納米線表面加載染料，用透明柔性襯底封裝器件，灌注電解液，得到所述染料敏化太陽能電池。上述步驟I)中所述透明柔性襯底具體可為ΡΕΤ，其厚度可為100-500 μ m。對PET表面進行等離子體清洗的方法如下:將PET襯底放入等離子體清洗機中，在Ar/02的氣氛下，以5.0-20.0sccm的流量、40-100W的功率清洗5-60秒鐘。上述步驟2)中制備對電極的方法如下:在PET表面旋涂一層光刻膠，然后以梳齒狀圖案為光掩膜版在光刻機下曝光、顯影，得到梳齒狀對電極圖案；利用電子束蒸發鍍膜法，在樣品表面蒸鍍一層鉬薄膜，然后將其在丙酮溶劑浸泡，去掉所有光刻膠及其表面附著的鉬薄膜，得到以鉬薄膜為材料的梳齒狀對電極圖案。所述光刻膠的厚度可為0.5-3.0微米。所述曝光的時間可為5-20秒鐘，顯影的時間可為10-30秒鐘。在樣品表面蒸鍍的鉬薄膜的厚度可為5-20nm。在丙酮溶劑浸泡的時間可為0.5-3.0小時。上述步驟3)中制備光陽極的方法如下:在PET表面旋涂一層光刻膠，然后以梳齒狀圖案為光掩膜版在光刻機下曝光、顯影，得到梳齒狀光陽極的圖案；利用磁控濺射鍍膜法，在樣品表面依次蒸鍍一層ITO薄膜、一層AZO(鋁摻雜的氧化鋅)薄膜，然后把樣品浸泡在硝酸鋅和六次甲基四胺的混合溶液中，在80-95°C下水浴處理1-6小時，可以得到約500納米的氧化鋅納米線陣列，上述過程可以重復多次直至需要的氧化鋅納米線長度，每一次生長可以把氧化鋅納米線延長約500納米；氧化鋅納米線陣列生長完成之后，把樣品浸泡在丙酮溶劑中，去掉所有的光刻膠及其表面附著的薄膜，得到以ITO薄膜和氧化鋅納米線陣列為材料的梳齒狀光陽極。所述光刻膠的厚度本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種平面電極，包括設于同一透明柔性襯底的陽極和A電極，所述A電極為陰極或對電極；所述陽極和A電極均由收集電極和在所述收集電極上平行排列的梳齒狀電極組成，所述陽極與A電極的梳齒狀電極相互交叉排列，所述梳齒狀電極中齒的寬度以及相對交叉排列的梳齒狀電極中相鄰齒之間的距離均在10微米到100微米之間。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李恒，趙清，俞大鵬，
申請(專利權)人：北京大學，
類型：發明
國別省市：北京;11