免转印的金属网格透明电极制备及其柔性聚合物太阳能电池应用

来源 :南昌大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nanguo34
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随着柔性光电器件的快速发展,透明电极作为一个不可或缺的组成部分,在弯曲或拉伸时具有机械柔性是至关重要。然而,铟锡氧化物(ITO)作为当前应用最多的透明电极,因其机械脆性在柔性光电器件上的应用受到限制。金属网格透明电极因具有低电阻率、低成本、可溶液加工、强柔韧性以及可卷对卷工艺大规模生产等优点而备受关注。然而,金属网格的高厚度、差附着力、低均匀的电导率以及高温退火是影响其器件性能的主要障碍。因此在光电器件中应用时,电极需要转印、半包埋等步骤,明显增加了电极材料加工工艺的复杂程度。通过免转印工艺实现低温制备柔性且高粘结金属网格透明电极具有重要意义,然而目前针对免转印的研究还比较少。本论文主要研究免转印法制备超黏结性和超薄的金属网格柔性透明电极,并将其应用于柔性聚合物太阳能电池。首先,本文将超黏结性的聚多巴胺(PDA)涂层于柔性基底表面上,再采用低温原位生长70 nm厚的银薄膜和静电纺丝纤维模板辅助酸刻蚀的方法,成功制备了具有超黏结性和机械柔韧性的银网格透明电极。该银网格柔性透明电极具有87.2%的透光性(T)和22.9Ω/sq的方阻(R_s),且方阻的标准偏差为2.02Ω/sq。此外,该透明电极经过机械弯曲、剥离或者超声处理后,其导电性几乎没有变化。最后,我们将该透明电极应用到有效面积为1.01 cm~2的聚合物太阳能电池中,获得了6.4%的光电转换效率(PCE)。这些结果表明免转印技术能在改善金属电极的粘附性和机械耐弯折性等方面具有很大的潜力。其次,促进银网格的有序性和超薄厚度分别有利于电极光电性能和机械性能的提高。因此结合之前制备金属网格的优点,在具有黏结性PDA涂层的柔性基底上,我们进一步采用无电镀辅助喷墨打印的方法来制备了方阻更小(9Ω/sq)且透过率更高(89.9%)的超薄(50 nm)银网格柔性透明电极。当应用到聚合物太阳能电池时,获得了在1 cm~2有效面积下10.24%的PCE。更重要的是,该器件在弯折1500次后仍保留原始PCE的81%,未封装的器件在放置30天后的效率依然有原始PCE的83%。通过免转印的无电镀辅助喷墨打印方法制备得到的超薄银网格展示出优异的弯折耐久性和操作可靠性。最后,针对上述制备的金属网格中都需基底前处理以及额外去除聚合物模板,我们直接在柔性基底上喷墨打印含氨基功能团的聚合物网格为模板,实现低温原位生长金属铜,进而得到高性能柔性铜网格透明电极(13.12Ω/sq-88.2%)。通过研究墨水的配置,发现无需黏结剂的二元混合溶剂可以制备得到稳定性墨水的同时降低咖啡环效应,无需基底预处理就打印出良好的一致性的网格模板。该免转印技术在无前后处理工艺下就能实现均一性金属网格柔性透明电极的制备。本论文研究制备金属网格透明电极均直接在柔性基底上进行绿色反应,工艺环保且成本低。这种免转印法可实现简单高效生产柔性金属电极并为商业应用提供前景。
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