银纳米线的可控制备及其复合电极的光电性能研究

发布时间：2020-09-01 16:17

　　透明电极作为光电器件的重要组成部分,具有十分广泛的应用,尤其在有机发光二极管、显示面板、触摸屏和太阳能电池等领域,已成为科研工作者的研究重点之一。随着电子产品制造技术的迅速发展,传统电极材料铟锡氧化物(Indium tin oxide,ITO)因其铟资源匮乏、制造成本高、柔韧性差等缺点,限制了其广泛应用。因此,亟需寻找新的替代品。在众多新型透明电极材料中,银纳米线透明电极因其优异的导电性、较高的透光率、超高的柔韧性及绿色低廉的制备工艺等优点,且符合当前电子产品低成本、可弯曲的发展趋势,是ITO透明电极的理想替代品。众所周知,纳米线的长径比极大地影响着透明电极的性能。然而,目前的合成工艺中仍存在着长径比难控、重复性差、反应条件要求苛刻、操作工艺繁琐等诸多问题。此外,银纳米线透明电极自身也存在着接触电阻大、抗氧化能力差、附着力差等缺点,制约了其工业化的进程。科研工作者提出了多种方式来解决银纳米线透明电极存在的各种问题。热或光诱导、压力、等离子体激元等焊接方式,在保证光透过率不降低的同时,能有效降低结点电阻。然而,也存在着纳米线部分氧化以及对器件造成一定程度的损伤等缺陷。另外,通过构筑复合物也能有效改善电极的性能,如AgNWs/PEDOT:PSS,AgNWs/ZnO,AgNWs/AZO等,既能保护银纳米线,提高其稳定性,又能对空隙进行有效的填充,增加附着力,提高载流子的传输效率。然而,这种方式也存在着各种问题,如PEDOT:PSS等有机物抗氧化腐蚀能力弱,ZnO等无机物柔韧性及成膜性均较差等。因此,有待探究新的处理方式或构筑手段,在不降低透光率的情况下,全面改善其附着力、稳定性和导电性。针对上述问题,本论文主要以银纳米线的可控合成及应用为研究对象,首先利用PVP分子链的空间位阻效应和控制剂阳离子的化学特性,精心改良传统的多元醇还原工艺,构筑长度、直径可控的银纳米线,并将其应用于铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池,打破了单纯银纳米线在CIGS基光伏器件中效率偏低的局限,实现了最高效率为4.97%的突破,其次,为解决银纳米线稳定性差、与底部附着力弱等问题,采用结点焊接和构筑银纳米线-壳聚糖复合物相结合的方式,达到CIGS光伏器件效率进一步提升的目的。具体研究内容如下:1、高长径比银纳米线的可控合成采用简单可靠的溶剂热法,通过改良的多元醇还原工艺,可控制备银纳米线,主要探究了表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分子链的空间位阻效应、离子控制剂中阳离子的化学特性对产物形貌的影响。利用PVP长短链的穿插效应,引入两种不同分子量的PVP,在{100}面形成由空间位阻诱导的保护层,诱导银纳米线的选择性生长,从而合成长径比高达1000的银纳米线;首次提出并详细调研了氯化物控制剂的阳离子化学特性对Ag形态演化方面的影响,为其在光伏器件中的应用奠定基础。2、银纳米线透明电极的构筑及其在CIGS光伏器件中的应用首先通过丙酮对银纳米线进行多次选择性沉降提高其纯度,接着用乙醇清洗除去包覆在纳米线表面的PVP,最终将其分散在乙醇中制成银纳米线墨水;其次,采用简单的旋涂方法构筑银纳米线透明电极,并通过对旋转速度、旋涂次数、墨水浓度等条件的精确调控制备出了方阻分布均匀、透光率高、导电性好的银纳米线透明电极;并将其用于CIGS基光伏器件,与先前的报道的单纯银纳米线电极相比,获得了4.97%的最高效率。3、银纳米线透明电极的优化及其对CIGS光伏器件性能的影响利用卤离子和溶解的氧分子的相互作用,采用NaCl盐溶液对结点进行焊接以降低结点电阻,再引入一层生物相容性好、可降解、环保无毒,且抗氧化腐蚀能力强、成膜性能力好、透明度高的壳聚糖保护层,构筑AgNW-NaCl-Chi复合电极,解决了银纳米线与底部附着力弱及其自身热稳定性和抗氧化能力差等问题,实现对银纳米线透明电极的优化。最终通过结点焊接和构筑复合物的双重优化,实现CIGS光伏器件的效率及稳定性的进一步提高。
【学位单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1;O614.122
【部分图文】：

银纳米线,溴离子,浓度,还原动力学

图 1-1 溴离子浓度对银纳米线直径的影响[35]得直径较细和长径比较高的银纳米线，研究人员需要解决以下两得小尺寸的具备五重孪晶结构的十面体晶体种子。第二，如何阻成过程中横向生长。这两个问题可以通过减缓还原动力学过程，晶种的{100}晶面族进行钝化来解决。2016 年夏幼南小组报道了

示意图,银纳米线,图像,示意图

的制备直径在 20 nm 以下，同时长径比超过 1000 的银纳米线的方法。该实验主要过用注射泵注入 AgNO3前驱体溶液来减缓还原动力学，同时用适当浓度的 Br-将前转换为更加稳定的化合物 AgBr。Br-和大分子量的 PVP 能够有效的钝化银纳米线边{100}晶面族进而阻止其横向生长[36]。该反应可以在空气中进行，克服了以往实验向反应体系中通入惰性气体的缺点，有效的简化了实验流程。

银纳米线,粒径统计,最佳条件

图 1-3 最佳条件下得到的银纳米线 TEM 及其粒径统计[42]经过众多科学工作者的不断改进，多元醇法制备银纳米线已经变得十分成熟。多元醇法制备银纳米线主要还是利用油浴 (oil bath) 加热，另外还需控制离子滴加速率。这些因素降低了实验的可重复性，并对实验操作以及设备提出了更，导致其不适于低成本和规模化的生产。1.4 银纳米线透明电极的制备及后处理研究进展

【参考文献】