原位法制备金属纳米线网络透明电极及在柔性CH3NH3PbI3基光电器件中的应用研究

来源 :南京大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:haiwei2009
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透明电极(transparent electrode)是既导电又能透过可见光的一类电极。如今以锡掺杂的氧化铟(Sn:In2O3, ITO)为代表的透明导电氧化物(transparent conductive oxide, TCO)电极已被广泛应用于平板显示、触控面板、光伏、半导体照明等领域。而TCO仍存在一些问题,最主要的两个共性的问题为光电性能不佳,且难以进一步提升;以及柔韧性较差,限制了其在柔性器件里的应用。为了开发透光性、导电性、稳定性和柔韧性优异的透明电极,人们对导电聚合物、石墨烯、碳纳米管、金属纳米线网络进行了大量的研究。其中金属纳米线网络具有优异的导电性和透光性,近年来受到了广泛的关注。金属纳米线网络如今面临的问题主要为稳定性和制备工艺的问题:溶液法制备的随机分散Ag纳米线网络的性能和稳定性制约了其进一步的发展;而基于物理气相沉积法的一体金属纳米线网络性能和稳定性优异,但是制备方法相对复杂,成本较高。本文选取一体金属纳米线网络作为研究对象,试图开发一种成本相对低廉且透光性、导电性、稳定性和柔韧性俱佳的透明电极。静电纺丝是用静电高压产生的电场使聚合物拉制成丝径为纳米或微米级纤维的一种低成本的方法。本研究使用静电纺丝制备的聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone,PVP)纳米纤维网络为模板,用离子束刻蚀的方法,将蒸镀于透明基底上的Au、Ag、Cu、Al等金属薄膜原位刻蚀成网络结构,该方法无转移过程,更能保持金属纳米线网络的完整。该方法制备的金属纳米线网络具有如下特点:1、导电性好和透射率高。用这种方法制备的Cu纳米线网络在透射率为98.2%时其方块电阻只有18.7Ω--/sq,而透射率在80%左右时,其方块电阻可小至2Ω/sq。而且通过改变薄膜厚度可以在保持透射率不变的情况下提高导电性。2、透过谱宽。这种原位制备的金属纳米线网络在200至2000 nm的宽光谱范围内具有较均一的透射率。我们使用时域有限差分法进行了模拟,发现其透射谱的波长选择性与网络尺寸有关。3、表面粗糙度低。由于这种金属纳米线网络从平整的金属薄膜中刻蚀而来,所以这种金属纳米线网络相对其它金属网络来说具有较小的表面粗糙度。4、优异的柔性和基底附着性。由于金属相对于陶瓷材料来说具有更好的延展性,另外纳米线网络结构可以释放薄膜中的应力,所以金属纳米线网络相比于金属氧化物透明电极具有更好的柔性;由于金属纳米线网络由金属薄膜刻蚀而来,所以具有与金属薄膜一样优异的基底附着性。这些优异的性质使得这种金属纳米线网络透明电极能够适用于其它透明电极无法使用的场合。为了说明这点,我们探索了Au纳米线网络透明电极在柔性CH3NH3PbI3钙钛矿光电器件中的应用。CH3NH3PbI3钙钛矿已经在太阳电池、发光二极管、光电探测器等领域得到了广泛研究。柔性钙钛矿光电器件也得到了发展,而TCO柔性不佳,导电聚合物、石墨烯、碳纳米管网络等新型透明电极的导电性不高,Ag纳米线易受这种钙钛矿材料中卤素的腐蚀。所以为制备高性能且柔性更佳的钙钛矿光电器件,我们将原位制备的Au纳米线网络透明电极引入柔性钙钛矿光电器件,制备了基于金纳米线网络透明电极的柔性CH3NH3PbI3钙钛矿光电探测器。这种柔性探测器在可见光范围内的外量子效率(external quantum efficiency, EQE)大概50%左右,最高可达60%。在可见光范围内的比探测率(special detectivity, D*)在1到2×1012Jones之间,接近文献报道的刚性钙钛矿光电探测器和硅光电二极管的比探测率;同时,在0.25 μW/cm2到0.35mW/cm2的范围内具有良好的线性响应,对应的线性动力学范围(linear dynamic range, LDR)为103 dB,接近硅光电二极管的LDR (120 dB)而大于InGaAs光电探测器的LDR (66 dB),而且这种器件具有较短的响应时间(约4μs)。相对于基于柔性ITO电极的钙钛矿光电探测器,这种基于Au纳米线网络柔性电极的器件表现出更好的柔性。本研究提出了一种原位制备高性能、高柔性、低表面粗糙度的金属纳米线网络透明电极的方法,同时为柔性钙钛矿光电器件提供了一种有效、稳定、高柔性的透明电极。
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