[01323499]高性能银纳米线/有机物复合透明薄膜电极及其在太阳能电池中的应用

随着科技的进步,平板电脑、电子纸、液晶显示（LCD）、有机发光二极管（OLED）、太阳能电池等诸多薄膜光电器件正逐步走进人们的生活,其产量和产值也在逐年攀升。作为上述光电器件的核心组件之一——透明电极的市场需求量与日俱增。目前,市场上主流的透明电极材料是ITO,其具有较高的可见光透过率（可达90%）、电导率（面电阻＜100 Oms/□）及功函数（4.8eV）,是光电器件透明电极的理想选择之一。但随着光电器件的更新换代,柔性光电器件将成为新一代的主流产品,因此对透明电极也提出了更高的要求。不仅要求电极光电性能优异,同时还需具备轻薄柔软、成本低廉,能适应大规模生产,且具有良好的可重复弯曲的机械稳定性及热稳定性等的特点。由此,传统透明电极材料ITO在发展中便遇到难以突破的瓶颈：首先,In的储藏量有限,且在薄膜制备工艺中利用率较低,导致ITO的成本逐年升高;其次,ITO的陶瓷性质使其在较低的应力下就可产生裂纹,电极的机械性能较差,导致薄膜光电器件寿命较低;再次,性能优异的ITO薄膜制备工艺常需要高温制备和处理,与低熔点的柔性衬底难以匹配。以上几点均是阻碍ITO胜任新一代光电器件透明电极的主要原因。因此,研发性能优异的新型透明电极材料取代传统ITO是光电器件更新换代必须要解决的首要课题,对资源和国民经济的可持续发展都具有重要意义。 从材料的种类来看,目前文献已报道的新型透明电极材料有导电聚合物、碳纳米管（CNTs）、石墨烯和金属纳米结构,其中金属纳米结构包括金属超薄薄膜、金属导电网格薄膜和金属纳米线薄膜。每种新型透明电极材料都有其优势,同时也存在一些需要解决的问题,如聚合物的电导率在高温高湿度,紫外辐照等条件下极易降低,其电学稳定性有待进一步提高;CNTs的高连接电阻和石墨烯的高晶界电阻是限制薄膜电学性能提高到与ITO相当的重要原因;金属超薄薄膜容易形成不连续薄膜,外层原子活性较高,容易氧化导致薄膜电阻率增加;金属网格薄膜虽可获得较高透过率,但不均匀的局域面电阻易导致器件性能相对较低,且金属超薄薄膜和金属导电网格薄膜的制备工艺需要高真空溅射和印刷工艺,成本过高。引人注目的是,新型透明电极材料之一的金属纳米线薄膜光电性能优异,同时其制备工艺可采用成本低廉的液相法,室温成膜条件与低熔点的柔性衬底具有良好的相容性,进而成为近年来新型透明电极材料的研究热点。 2008年以美国斯坦福大学为代表等国内外研究机构开始对金属纳米线薄膜展开系列研究。已报道的金属纳米线薄膜主要有金属Au纳米线、Cu纳米线和Ag纳米线薄膜。由于Au纳米线薄膜成本过高,实用性较低,因此大量研究集中在金属Cu和Ag纳米线薄膜。目前Ag纳米线薄膜面电阻可低至～20 Oms/□,且可见光透过率达85%以上,而Cu纳米线薄膜在保持相同透过率时,其薄膜面电阻约～50 Oms/□。研究者们还在金属纳米线导电薄膜的基础上构建了有机光电器件,对器件的性能进行了比较。如以金属Ag纳米线薄膜为电极构建的有机太阳能电池其效率可达3.5%,与ITO基电池效率3.6%相接近;而Cu纳米线薄膜基的电池效率相对较低,约为3.0%。相对Ag纳米线,Cu纳米线还存在易氧化和难分散的问题,因此,Ag纳米线薄膜电极得到诸多研究者们的青睐,并将其应用于光电器件领域,如太阳能薄膜电池、OLED、触屏、燃料电池、可弯曲电子器件等。 由此可见,金属银纳米线薄膜电极是目前替代ITO的最佳选择之一,但目前在推进其实用化的过程中仍存在一些亟待解决的重要问题。如利用液相法制备金属银纳米线薄膜电极虽然成本低廉,且可适应卷对卷工艺,但这种随机纳米线网络结构使得薄膜的初始导电性及均匀性较差,纳米线的结点电阻较高;无机纳米线与基底的附着力较弱、金属银纳米线导电稳定性和热稳定性不高,以及薄膜的表面粗糙度较大等。为了改善银纳米线薄膜电极的性能,研究者们开展了大量工作,如为了减小银纳米线之间的结点电阻,提高薄膜的导电性,主要采用两种途径,其一是采用具有较高长径比的银纳米线构建导电薄膜,以减少纳米线之间结点;其二是采用一些处理方法,如高温处理（＞200℃）以融合纳米线的结点,降低电子在纳米线之间输运的势垒,但是高温处理与低熔点的柔性衬底不相容,也有研究者采用不用高温处理的方法,如机械按压、纳米焊接等方法在常温下熔合纳米线之间的结点,提高银纳米线薄膜的导电性。这些问题的解决都有利于扩大银纳米线薄膜电极的应用领域,增强其市场竞争力,对推进光电器件的更新换代具有重大的科学意义和经济价值。