基于有机分子修饰的超薄金属网格／PEDOT叠层柔性透明导电薄膜的制备及性能研究

A breakthrough of the trade-off between electrical and optical properties is required for further improvement of flexible metal mesh transparent conductive film. An improvement in the electrical conductivity requires an increase in the thickness of the metal layer, but the thickness increase seriously reduces the transmittance. Thurs, it is of significance in the realization of high transparent ultra-thin metal mesh transparent conductive film to improve the resistivity. In this project, ultra-thin metal mesh/PEDOT multilayer structures are used to fabricate the transparent conductive film. The flexible substrates are modified by polymer organic molecule to transform the growth of metal film from three-dimensional (3D) metal-island clusters to two-dimensional (2D) continuous films on the atomic scale, and then the ultra-thin metal mesh could be fabricated through colloidal lithography. The PEDOT conducting layer are covered onto the metal mesh to prevent oxidation of the metal. The reflection losses at different interfaces could be suppressed by the modified of PEDOT together with the thickness control. The successful implementations of this proposal will help to understand the continuous growth mechanism of metal film and the propagation process in the laminated structures of the incident light. It also provides a promising route toward the high efficiency flexible transparent conductive film.

高透光度和低电阻率难以兼得是柔性金属网格透明导电薄膜长期面临的瓶颈问题。通常增加金属薄膜的厚度可以提高其电学性能，但这样同时也会严重降低其透光率。因此，改善电阻率对于实现高透光度的超薄金属网格导电薄膜具有重要意义。本项目采用超薄金属网格／PEDOT导电聚合物的叠层结构制备透明导电薄膜。利用聚合有机分子对柔性衬底表面进行修饰，将厚度在10 nm以下金属薄膜从岛状三维团簇生长转变成为原子尺度的二维横向生长，并结合胶体球印刷技术制备超薄金属网格薄膜。进而在网格表面通过PEDOT导电层提高金属的抗氧化能力，并利用PEDOT的改性和厚度控制来抑制光束在不同界面的反射损失。该项目的研究有助于深入理解金属薄膜的连续生长机制和光束在叠层结构中的传播过程，为高效金属柔性透明导电薄膜的制备提供了新的选择。

随着柔性光电器件的飞速发展，传统的ITO电极已经不适用于柔性和大面积器件的应用，因此需要开发新型的ITO透明电极代替技术。其中超薄金属网格薄膜以其优良的导电性和延展性等特点，在众多代替技术中脱颖而出。然而其电学和光学性能收到了厚度的严重影响，厚度小于10nm时出现的岛状团簇会引起严重的寄生吸收损失和电学不连续。因此，本项目通过对衬底的界面修饰来降低金属薄膜和衬底的表面能差，从而抑制金属自身的岛状生长，实现4 nm的连续超薄金属银薄膜，进而利用紫外快速转印技术实现大面积的双面减反射OMO叠层柔性透明导电薄膜，方阻可达 6 Ω/sq，透过率可达 93%，且具有非常好的机械性能、热稳定性和形变记忆功能。进而，通过对胺基种子层的密度分布进行了深入的研究，通过引入金属层将传统种子层的物理静电吸附转变成化学共价键吸附，从而提高聚电解质种子层的吸附密度，形成均匀分布的高密度成核位点，将金属银薄膜的阈值厚度进一步降低至3 nm，并结合高折射率的介电材料来降低反射损失，实现面积达到8英尺的柔性导电薄膜，全波段的透过率提高至80%以上，最高可达92%，其品质因子达到了562，远高于传统ITO技术的175。本项目将超薄金属应用至有硅异质结太阳电池中，通过对纳米复合电极中金属和有机层的界面修饰，提高复合电极的横向和纵向的载流子收集效率。修饰后复合电极功函数的提高不仅大大提高了电池的内建电场，还促进了载流子的分离，并降低了硅的表面复合速率，最终将硅异质结电池的填充因子提高至80.21%。此外，本项目还将超薄金属网格结构应用至拉曼探测器，利用牺牲层和三步剥离法实现了金属网格和点阵的二元阵列，拉曼增强因子高达5×108，方阻仅为1.7 Ω/sq，同时，此为二元结构作为金属催化腐蚀的催化剂得到了周期性排列的硅纳米管陷光结构，全波段反射率小于10%。该项目的研究为超薄金属网格导电薄膜在柔性显示、光伏器件和传感器等等领域中奠定了基础。