静电纺丝膜为模板制备金属网格透明电极及其性能研究

Transparent electrode is an essential element of modern flexible device. Indium-Tin oxide has the drawbacks of fragility and high cost, which is being replaced by four kinds of materials: conducting polymer, carbon nanotubes, graphene and metal grid. Metal grid has the highest Figure of Merits(FoM) among these four materials, which has transmittance of 90% coupled with square resistance comparable to ITO. However, the high surface roughness of this material limits its application in polymer solar cells. To solve this problem, this study provides a fabrication method of metal grid transparent electrodes. Electrospun films are used as templates, metals are then evaporated on them to make metal grid transparent electrodes. Parameters of electrospinning are tuned to control geometric parameter of metal grids. As a result, the performance of transparent electrodes are thus regulated. After heating by emitter or hot plate, the surface roughness of metal grids should decrease, the conductance of it should increase. Oxide of Tin will not significantly decrease conductance of silver nanowire. Composite grid of graphene and Tin has excellent mechanical properties. The Tin containing metal grid is promising to be a stable transparent electrode in ambient sphere.

透明电极是现代柔性器件中的重要组成元件，氧化铟锡（ITO）因为质脆、成本高昂而逐渐被其他透明电极材料取代。目前研究中的透明电极材料有四类：导电聚合物、碳纳米管、石墨烯和导电金属网格。导电金属网格在四类材料中具有最高的优值系数，90%透过率下的方阻与ITO相当。但是这类材料具有表面粗糙度大的缺点，因而不适于太阳能电池应用。为了解决这一问题，本项目提出一种锡金属网格透明电极的制备方法。以静电纺丝薄膜作为模板，蒸镀金属制备金属网格透明电极。电纺参数的控制可以有效控制金属网格的几何参数，从而调控透明电极性能。通过辐照加热和热台加热对能够金属网格的表面粗糙度进行控制，并进一步提高其电导率。此外锡的氧化物与银复合并不会显著降低电导率，而石墨烯/锡金属网格可具有更优异的力学性能，含锡的金属网格有望成为大气环境下性能稳定的透明电极材料。

透明电极（TE）是光电器件的重要组成部分，其应用领域包括有机光伏（OPV）发光二极管（LED），智能窗，触摸屏等。氧化铟锡化合物（ITO）透明电极存在质脆、铟元素稀缺等问题。限制了其在柔性可穿戴器件领域的应用。金属网格透明电极具有高电导率,低加工成本的特点，有望取代ITO成为新一代的透明电极材料。金属线作为金属网格的构成单元，其几何参数会显著影响透明电极的性能。通过增加孔隙率可以提高金属网格的透光率，但会损失导电性。但是，大的长径比，较大的高/宽比例金属线构成的网格有望成为高性能透明电极。在OPV或LED器件中，各功能层的厚度在几十到几百纳米之间，要求透明电极具有较低的表面粗糙度。.为了达到上述要求，以聚乙烯醇缩丁醛（PVB）电纺丝为模板，湿法刻蚀柔性衬底（聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET）上的铜膜，得到了高性能、亚微米线宽、大面积的铜网透明电极。电纺丝具有大约10000的超高长径比，其制备的铜网格更容易形成导电通路。通过刻蚀制备的铜线图案处于同一个面，不存在铜线搭接的问题，最大限度地避免了接触电阻。PVB溶于乙醇，通过溶剂退火能牢固附着于金属膜上，刻蚀后易于去除，是较好的掩膜材料。通过条件优化，制得的透明电极在90%透光率条件下方阻为15.9Ω/sq，与ITO性能接近。通过这个方法制备的铜网格最小线宽可达到550nm，且能实现大面积制备。研究中所制备电极的最大尺寸为33cm×21cm。该透明电极还具有远超过ITO的耐弯折性能和与其相当的耐剥离性能。弯折半径2mm的条件下，弯折1000次后，铜网格透明电极方阻增加了18%，ITO方阻则增加了6000%以上。用3M胶带分别在铜网格电极和ITO表面粘贴剥离100次后，方阻的波动均在20%以内。以铜网透明电极制备了两种典型的器件。其用于触摸屏器件（对表面粗糙度要求不高），能够实现基本的手写功能。用于发光二极管器件，在高亮度下的外量子效率为2.8%。