AgNW的自组装及其在有机太阳能电池透明电极中的应用研究

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透明导电薄膜主要应用在如平板显示、电子书、智能手机、触摸屏、发光二极管和太阳能电池等光电器件领域。目前,比较广泛用来制备透明导电薄膜的材料是锡掺杂的氧化铟(ITO)。然而,地球上稀缺的铟资源严重制约了ITO的长远发展。另一方面,ITO薄膜较脆,弯折过后的电极易出现裂痕,严重影响了其光电器件的稳定性。人们因此提出了一些ITO的替代材料,如导电聚合物、碳纳米管、石墨烯和银纳米线(AgNWs)等。其中,AgNWs以其高导电率、可溶液加工和柔韧性好等特点,已成为最有希望替代ITO的透明电极材料。目前基于银纳米线透明电极的有机太阳能电池(OSCs)、有机发光二极管(OLEDs)等器件性能还远低于ITO基器件。其原因在于采用旋涂法、喷涂法等溶液加工制备的银纳米线薄膜表面粗糙度过高,严重制约了薄膜电子器件的制作。另一方面,纳米线的利用也不够充分,形成的导电通路较为有限,使得最终整体薄膜的光电性能也不太理想。目前急需开发一种制备低表面粗糙度的银纳米线薄膜的技术来克服银纳米线在应用中的诸多困难。本论文结合纳米材料能自组装的特点,提出一种水浴辅助溶剂流诱导AgNWs在临时的水/醇界面自组装的方法,通过正交浸渍提拉法形成叠层有序AgNW网络,并研究其在有机太阳能电池透明导电电极中的应用。具体研究如下:  (1)研究了纳米材料的组装方法和原理,分析和探讨了水浴辅助溶剂流诱导AgNW在水/醇界面处自组装的形成机理与实验现象。表征和探索了水浴温度对自组装过程的影响,实现了通过水浴温度来控制有序银纳米线薄膜的线间距。  (2)探索了纳米材料的尺寸、水/醇界面对该自组装过程的影响。发现随着纳米材料直径的增大,单根纳米线的重力越来越大,能够参与自组装的纳米线数目过少,无法自组装出理想的有序纳米线薄膜。另一方面,水/醇界面对自组装的发生至关重要,界面处提供的表面张力梯度和切应力是驱动纳米线有序化的关键。  (3)制备和优化了叠层有序AgNW透明导电薄膜,并成功应用于有机太阳能电池。最终得到80℃水浴温度条件下组装形成方阻低至11.4Ω/□,透射率高达90%的三层有序AgNW透明导电薄膜,更为重要的是,其表面粗糙度仅为15.6nm,这相比于旋涂法制得的随机乱序型银纳米线网络37.6 nm的表面粗糙度来说,得到了显著的改善。而制得的AgNWs/PEDOT∶PS S/P3HT∶PC61BM/Ca/Al型有机太阳能电池的器件性能分别是Voc为0.58 V,Jsc为9.1 mA/cm2,填充因子为0.56,PCE为2.94%,并联电阻为8.47 kΩ·cm2,明显优于该结构的随机乱序型器件性能。
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