新型微纳导电纤维透明电极的成形及性能优化

发布时间：2020-11-17 02:57

　　 透明电极在太阳能电池、有机发光二极管、电子皮肤及柔性可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。传统的铟锡氧化物(ITO)透明电极(透光率80%,方阻10Ω/sq)因质脆特性和稀有金属铟资源匮乏限制了其在柔性电子与光电器件中的大规模应用。微纳导电纤维被认为是最有潜力的新一代无铟透明电极材料。本论文围绕微纳导电纤维透明电极的成形与性能优化展开研究,从纤维成分设计与排布结构调控两个方面着手:成形新型高导电微纳纤维作为透明电极材料,探索微纳导电纤维有序结构成形新工艺,以实现其光电性能优化调控,最终获得新型高性能无铟透明电极。通过以上研究,取得了一些有意义的结果:1.通过在TiN、C导电纤维中加入Ag纳米颗粒,成形了高导电微纳复合纤维,显著提升透明电极的光电性能。Ag纳米颗粒在纤维内部连续分布形成导电通路,将纤维的电导率提升1-2个数量级。Ag/TiN复合纤维透明电极光透过率为85%时,方阻仅为10Ω/sq。Ag/C复合纤维透光率80%时,方阻为22Ω/sq,并且经过1000次弯曲疲劳测试后,其方阻仅增加4%,可用于构筑柔性透明电极。2.优选高导电高稳定的WN作为新型透明电极材料,用于制备适应极端环境的高稳定透明电极。在煅烧温度为900 ~oC时,WN纤维结晶性好,电导率高达2189 S/cm。进一步采用近场直写工艺成形有序结构WN纤维透明电极,通过纤维排布结构的调控,获得透光率90%、方阻2.8Ω/sq的极佳性能。而且通过研究高温氧化和酸碱腐蚀处理对其光电性能的影响,发现WN纤维透明电极具有优良的抗氧化性和抗腐蚀性:WN纤维透明电极在160 ~o C中16 h氧化测试,方阻增加8%;在酸碱腐蚀后,方阻最高增加3.2%。3.开发近场直写技术与溶液拉丝成形技术原位构筑有序结构微纳导电纤维透明电极,通过纤维排布结构的调控实现透明电极光电性能优化。采用近场直写技术构筑方格结构TiN纤维透明电极,透光率和方阻分别为90%和10.3Ω/sq。经过160 ~o C中8 h氧化测试,方阻增加20%;在酸碱腐蚀后,方阻仅增加3.3%。4.采用溶液拉丝成形技术制备了微纳W纤维透明电极,并探索了其在透明可穿戴器件和透明电加热器领域的应用。通过溶液拉丝成形技术实现在平面、曲面和凹面等复杂表面排列超长W纤维。获得的W纤维透明电极透光率为90%时,方阻仅为0.2Ω/sq,远远超过氧化铟锡透明电极的光电性能。将此透明电极应用于可穿戴加热器件,在12 V电压下经过100次电热循环,循环效率达97%;经过200次弯曲测试后方阻无明显变化。通过溶液拉丝成形在曲面上原位成形W纤维透明电加热器,并通过通电条件下的水蒸发研究了其电热性能,水蒸发速率达1 ml/min。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM914.4;TB33
【部分图文】：

a）具有不同厚度 Ag 膜的太阳能电池的透射光谱分析；（b）具有 10 nm 厚度的同厚度的抗反射层电池的透射光谱分析；（c）通过透明电极观察冬景（左图）层（右上侧），以及添加抗反射涂层的太阳能电池（右下侧）；（d）添加反射层的外量子效率谱[35] (a) Optical transmission spectraof cells with different thicknesses of silver back elec

2 纳米压印法制备的不同间距的长方形金属网栅：（a）200 nm；（b）120 nm；（c）玻间距为 200 nm 的网栅；（d）玻璃片上间距为 120 nm 的网栅g. 1-2 Scanning electron microscopy images of imprinting molds with rectangular grids ofs of (a) 200 nm and (b) 120 nm, and thecorresponding semitransparent metal electrodes (with line widths of (c) 200 nm and (d) 120 nm[50]通过结合纳米压印技术和溶液处理，Sciacca 等[53]获得由银纳米线规则网明导电膜。溶液生长的纳米线网格展现出比通过金属蒸发获得的网格高率。Kang 等[54]利用毛细管将 Ag 纳米颗粒组装到纳米网格模板中，然后焊接和后退火过程有效地降低了 Ag纳米颗粒之间的接触电阻。该栅格在透.4%时的方阻为 15.2 Ω/sq。目前，金属网格的卷对卷印刷技术是规模化制备网栅的主要方法，从制造量的观点来看是长期有效的。D. N. Printing 和 Gunze 等[55]公司已经基于金属网格生产 0.4-1.0 Ω/sq 和大于 80％透射率的透明电极。由 C. N. Tech[

9图 1-3 金属纳米纤维网的组装流程图及相应的微观结构图[57]hematic process of metallic network fabrication. Theresulted structures of gelfilmand network areshown on theright column[57]
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本文编号：2887005