微纳结构制备及其在光电器件中的应用研究

发布时间：2020-08-09 21:27

【摘要】：纳米科学蓬勃发展至今已有近70年的历史,制备纳米尺度的材料并探索其性能一直是科研领域的研究热点。各种微纳加工技术应运而生并不断发展蓬勃发展,如聚焦离子束刻蚀(Ion beam lithography)、全息光刻、胶体光刻、嵌段聚合物自组装等。然而,这些技术高昂的成本以及有限的制备面积严重限制了其大规模应用。在当前的微纳加工技术中,纳米压印技术因其具有高效率、大面积、低成本等优点而备受关注。微纳结构材料作为太阳能电池或其它的光电器件的基础组成部分,赋予了这些器件独特的光学、电学和机械性能,为实现新型柔性光子、电子功能器件提供新途径。通过优化器件结构,在光电器件的窗口层实现等效折射率梯度变化,能有效抑制反射,并在金属结构附近产生表面等离激元共振,从而增强光的吸收,最终提高光电器件的性能。总之,微纳结构及其器件的研究具有重要的科学意义和应用价值。本文主要通过优化微纳结构制备技术,调控微纳结构的自身形貌,研究微纳结构的成型机理及其在光管理、电学、机械性能等方面的新特性,并进一步探索了微纳结构在柔性集成以及光子、电子器件等方面的应用。具体工作如下:(1)将软纳米压印与湿法刻蚀相结合,在Al片上制备出高度有序的纳米结构,并通过调控阳极氧化过程和选择性湿法刻蚀工艺得到大面积的有序纳米孔模板和倒纳米锥形模板。此外,通过电场模拟揭示了阳极氧化铝的生长机制,发现二次阳极氧化可以更好的引导阳极氧化铝(Porous anodic aluminum oxide,AAO)自组装生长,得到更为规整的AAO模板。本章节提出的方法与卷对卷工艺相兼容,适合大规模工业化生产,并可将其推广至高度有序氧化钛(TiO2)纳米管的制备。采用上述技术制备的大面积高度有序的纳米图形化AAO模板,可以被广泛应用于多种高性能光电子器件中。本文利用电磁场仿真手段,研究了基于高度有序的阳极氧化铝(High ordered anodic aluminum oxide,HOAAO)衬底的钙钛矿(CH3NH3PbI3)薄膜光电传感器的性能。相对于平面衬底,高度有序倒纳米锥结构模板衬底可以极大地增加光电传感器的宽光谱的吸收。大面积、可调控形貌的HOAAO薄膜的成功制备,为利用光管理技术增强性能的光电器件提供了一个新的平台。(2)将溶胶凝胶法与纳米压印法相结合,在聚酰亚胺(PI)衬底上实现了金属氧化物纳米阵列的大面积可控制备,并获得高效的柔性非晶硅太阳能电池。在此聚合物衬底上制备的非晶硅电池具有优异的宽广谱光吸收和较高的外量子效率,其光电转换效率(PCE)可达7.71%。引入的纳米锥结构聚合物减反射膜,可以进一步拓宽减反射作用的光谱、入射角度,增强薄膜电池的太阳光捕获吸收能力。相对于平面电池,双界面图形化柔性非晶硅薄膜太阳电池的效率相对提高了48.5%,达到8.17%。氧化物结构介于聚合物衬底与非晶硅薄膜之间,可以改善聚合物衬底与非晶硅薄膜的热膨胀系数的不匹配效应,减小各功能层之间的应力,提高电池各功能层的薄膜质量。经过10万次,180°的弯曲测试,非晶硅薄膜电池的PCE几乎没有下降。此外,通过电磁场模拟了周期性纳米结构阵列的光学特性,揭示了该膜层表面减反射和等离激元增强的效应。虽然在此工作中以非晶硅电池为例,但这种方法具有普适性,可以被推广到其它光电器件中。此外,可将紫外固化型无机氧化物-有机复合材料与卷对卷工艺相结合,实现图形化衬底的高效、大面积制备。(3)使用热纳米压印法制备出图形化氧化锌/银纳米线新型复合透明导电薄膜。这种独特的氧化锌/银纳米线复合透明导电薄膜展现出优异的机械结合力、导电性(～12 Q/sq)、耐温性(～400℃)、透过率和柔韧性。图形化ZnO层可以有效的降低界面反射,提高薄膜透过率的同时保证较高的导电性。通过在银纳米线表面引入纳米坑结构的ZnO层,透明电极的透过率明显提高而导电性并没有发生明显降低。图形化的ZnO层紧紧的覆盖在银纳米线膜表面,填充空白区域和连接银纳米线两端。ZnO膜将银纳米线封装,可以防止银纳米线氧化,提高银纳米线的机械和热稳定性。此图形化氧化锌/银纳米线复合电极作为顶电极,可以有效的用于太阳能电池。相对于以银纳米线为顶电极的电池,采用图形化复合电极的太阳能电池的短路电流相对提高了10.8%,效率相对增加了5.0%,达到7.51%。(4)单层石墨烯作为非晶硅薄膜层和氧化硅片衬底的中间层,电池剥离过程中的机械结合力降低了44.1%,获得无衬底的非晶硅薄膜太阳能电池。通过引入三棱柱结构的聚合物减反射膜,可以有效管理光学路径并诱导光向电池内部传播,实现宽光谱、全方向地增强薄膜电池的性能。电池的效率达5.98%,比功率达140.04W/Kg,相比氧化硅片衬底的电池分别提高了 16.0%和246.3%。值得注意的是,光入射角度为α=60°时,能量转化效率增加了44.1%,比功率增加了330.2%。通过上述方法制造高效率、轻质、柔性的无衬底薄膜电池,简单可行。此剥离转移方法还可以应用于其他太阳能电池和光电子器件如光电探测器,光发射器等,实现大规模、轻质、高比功率器件的制备。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN15;TB383.1
【图文】：

流程图,单层,流程图,阳极氧化法

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示意图,示意图,单层,流程图

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过程图,过程图,纳米压印

学位论文逦微纳结构制备及其在光电器件中的应用研样的发展趋势下，传统的制备手段已经越来越难以满足。上世纪９０年代中期，顿大学的Ｃｈｏｕ教授［９’２２］受我国古代四大发明印刷术的启发，提出了纳米压印技念。纳米压印是一种利用纳米压印模板将纳米结构转移到基底衬底表面的方法，个图形化结构转移过程中，模具不会受到损伤，可重复使用。此外，转移后的纳米貌完全由原始模板尺寸决定，不受光学波长衍射极限的限制，表现出工艺简单、高、产率高、成本低等优点，适宜工业化生产。随后的几十年，科研界与产业界压印技术进行广泛的研究，纳米压印技术得到了迅猛的发展。逡逑

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