光滑的纳米线聚合物透明电极.docx

光滑的纳米线/聚合物复合透明电极译文(123456789段)惠特尼盖纳,乔治f布克哈德麦吉说道,michael d .,彼得peumans透明电极是薄膜光电设备的关键部件如显示器和薄膜太阳能电池一样。现在所使用的高性能透明导电薄膜大多数是由喷镀金属氧化物组成的。1,2这些薄膜在高温条件下沉积在玻璃上时能够拥有20以下的薄层的电阻，90%透光率，在低温条件下沉积于塑料基板时拥有相同的透光率但是电阻却升高到了到40-200。2最近的研究都集中于那些能取代导电金属氧化物的替代材料，这些替代材料需要能具有金属氧化物沉积在玻璃和其他各种基板包括塑料的性能。另外,金属氧化物是脆的,4,5,因此可替代的透明导线技术也在着力于韧性和稳健性，用于制作轻的，高韧性的太阳能电池和其他薄膜材料设备。非真空透明电极沉积法的使用，除了金属氧化物，还包括碳纳米管，少量的石墨烯氧化物，碳合物薄层，高导电聚合物(4,3乙烯dioxythiophene):聚乙烯(苯乙烯磺酸盐) (pedot:pss),18 - 23)，电纺铜网，印刷金属网格，和ag纳米线薄膜。大多数这些替代品目前还无法匹配氧化物的性能。特别是,上面所列的碳材料经溶液处理后拥有的薄层电阻比光纤导金属氧化物高了100-5000。与这些数值相应可得到，电导率与吸收系数之比/,330.071到1.3101.。为了避免透明电极给太阳能电池的效率带来明显的损失，这些比值应该尽可能的高，理想情况下高于11，在此基础上，ag纳米线薄膜已经被证明其薄层电阻值和透明度可以和金属氧化物相比了。然而，由于他们固有的粗糙度它们又被发现是不适合许多设备的应用程序的。例如，高效的散装异质结有机光伏薄膜（opv）电池还从未被报道过使用银纳米线电极，其在双分子蒸发显示设备中的的性能也低于氧化铟锡(ito) 设备装配。在所有情况下, 观测到了低分流电阻，与之相对应的是低满足因素和低效率。在每种情况下自旋铸层的导电聚合物涂层线都是不足以克服线和线的接头产生的大高峰和低谷的。因此, 除了透明度和导电性外，影响设备透明电极的兼容性的另一个因素明显是表面粗糙度。在一些其他出版物中,我们使用opv电池来评估透明电极的性能。近年来, opv的有效率得到了大大的提高。基于对(p3ht:pcbm)散装异质结广泛的研究，已经做出了效率超过4%的太阳能电池。使用更新的具有更宽的吸收率的聚合物已经做出了效率达6%的电池。在本次实验中，我们证明了银纳米线网的粗糙度正是这些薄膜不能用到高效率器件的原因，我们还解决了这个明显的形态问题，使得银纳米线薄膜有可能用到高效透明电极上。我们通过将银纳米线嵌入导电聚合物pedot:pss中得到一种有机物与无机物的复合材料。通过改变聚合物的厚度和分层，我们获得了对复合材料的纳米尺度形态的精确控制。其目的是为了在远离电极表面的纳米线之间嵌入比较厚的结，使制作在任何器件表面上的活性层不会发生局部稀释，当在复合材料表面有导电网时局部稀释会导致分流或短路。聚合物不仅填满了纳米线之间的间隙，而且还在纳米线高于聚合物四分之一直径的地方产生了一个统一的表面轮廓。这个技术制作出了光滑的，溶液处理的，有表抗性的，透光率与玻璃表面上的ito相媲美并优于塑料表面上的ito的透明导电膜。然而，这些电极最重要的特点在于其低粗糙度，使得薄膜器件有可能出现。我们已经可以制作出用pedot:pss/ag纳米线作为阳极的高效率p3ht:pcbm太阳能电池，它有着和制作在玻璃上的ito的太阳能电池相同的性能指标。通过在柔性基本上制作复合材料和器件，我们发现了pedot:pss/ag纳米线薄膜有着比玻璃表面上的ito更优越的力学和电学性能，而且我们还证明了用这些复合材料做的柔性opv电池在效率上有的提高。图1.a）透明电极制作过程。be)在相同条件下不同厚度的pedot:pss的银纳米线压层的横截面sem图像：b) 25 nm , c) 50 nm ,d) 75 nm, e) 100 nm . 银纳米线直径在50到100 nm 的薄膜被从悬浮液dropcast ？到玻璃上。然后纳米线被压层旋转涂曝成不同厚度的pedot:pss 薄膜以研究这些复合材料的形态。图1a阐释了制造过程。在所有的情况下，用相同的压力，这些纳米线都完全被转移到聚合物里。图1b 展示了纳米线分别嵌入四种不同厚度（25nm (b), 50nm(c) , 75 nm（d）, 100 nm (e) ）的pedot:pss中的横截面sem图像。用眼睛观察不到明显的不同，在sem 俯视图中也没有明显的差异。然而，从sem图像中可以看出随着pedot:pss厚度的增加，复合材料的形态有明显的变化。当pedot:pss的厚度是25nm时，纳米线被转移到pedot:pss但不会沿着它们的长度方向沉到聚合物底，导致了像深林一样的结构。随着pedot:pss层的厚度增加到50，75和100nm的时候，这些纳米线都沉到pedot:pss底部，并且随着聚合物填满纳米线之间的更深的空间，这些网变得更加平整。为了得到完全平整可以用在电极上薄膜，pedot:pss需要到达一定的厚度来嵌入单独的纳米线和有连结的纳米线来实现其导电性。图2.用125nm的pedot:pss的复合材料做的电极的sem图像。a)俯视图。b）横截面。c）角度的截面。d）特写镜头角度的表面展示了嵌入高聚物中的银纳米线的连接（用箭头指出的）。图2展示了压层到125nm的pedot:pss的银纳米线的sem图像，这就是透明的，导电的，表面足够平整可作电极的复合材料薄膜。图2a是一张sem俯视图.应用图像处理软件，我们确定了银纳米线覆盖了薄膜的29%。横截面sem图像（图2b，为了清晰已上色）展示了银纳米线几乎全部嵌入到pedot:pss中。一张斜的横截面图像（图2c）显示了所有的纳米线都处在基片的平面内并且充分相互连结。图2d（为了清晰已上色）证实了用箭头指出的纳米线结都嵌入了pedot:pss层，使得上面的纳米线保持齐平。这对高效率的opv的性能来说的特别关键的，由于任何导电的纳米结构会向着本体异质结的活性层凸出，然后在器件中形成一条优先的电流通路，导致了分流和填充因子的减小。因此将纳米线网的最厚的部分，即纳米线结沿着粗糙度凸向远离器件的方向嵌入来防止上述情况发生。用轻敲式原子力显微镜来最复合材料表面的作进一步探究。图3展示了pedot:pss/ag纳米线薄膜的原子力显微镜地形图。当纳米线上升到pedot:pss/表面上20到30nm之间时，测量得到粗糙度的均方根是11.9nm，如图3中的行扫描图所示。在从顶部到底部的高度为200到300nm的地方，这与裸纳米线相反，决定于结点上重叠的纳米线的数目。行扫描中所用的线用地形图中的深蓝色框出的表示。我们注意到，当最大和最小的高度确定时，线扫描的钟形不能反映出实际地形图（见图2），但是一个工件的afm扫描。为了对比，测量出ito薄膜粗糙度的均方根小于3nm，远远小于复合材料的粗糙度均方根。然而，使用opv器件的数据将显示，复合材料的粗糙度数值并不会影响到高品质器件的制备。图3. pedot:pss/ag纳米线上表面轻敲式afm扫描图和（底部）纳米线高度轮廓的afm图像。行扫描中所用的线用地形图中的深蓝色框出的表示。为了比较复合材料薄膜和ito的性能，我们测量了其表面电阻和光传输能力。在玻璃和5毫升聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）上准备样品。在玻璃上，ito的表面电阻是201，然而从图2 得出pedot:pss/ag纳米线复合材料的是121。在pet上，有比较大的差异，ito表面电阻是421然而pedot:pss/ag纳米线薄膜只有171。因为在复合材料薄膜的制作中不需要高温处理这一步骤，所以其表面电阻几乎与基片无关。测量125nm 的pedot:pss的表面电阻，结果是大于10m1。这意味着pedot:pss 并不在大范围内导电，块体的复合材料导电性是发生在纳米线上的。光线传输测量采取入射光通过基板的测量方式。积分球是用来收集直接和弥漫传输的光线，它已经表明，1720%光传输通过银纳米线弥漫。 28，30 在这里反应的传输率不包括基板反射。ito导电玻璃(20 _ 1 )传输波长350800纳米的光有90%的平均传输。( figure 4 a). 在玻璃上的pedot:pss/ag 纳米复合材料 (12 _ 1 ) 有86%的平均传输。比较两组数据得到导电率与光吸收系数/玻璃/氧化铟锡= 0.50-1、/玻璃/等/净重=0.60-1，从而综合性能表现较好的是复合材料。在pet上随着ito厚度和制作流程的改变，ito的透射谱表现的非常不同。在塑料上这种ito的平均传输率是91%。虽然他的标准差避灾玻璃上大很多。pedot:pss/ag纳米线薄膜在塑料上显示了更低的传输率83%，尽管更值得注意的是复合材料的光谱响应的远比ito的光谱响应独立。这种条件下，比较导电率与光吸收系数比， / pet/ito = 0.26 1 and / pet/pedot/nw = 0.34 1 ,再次得出复合材料的性能优于ito。这个样品与在玻璃上那一个比降低的3%传输率可以归因于纳米悬浮液的不同。pedot:pss/ag纳米线复合材料与ito相比其稍低的传输率归咎于其吸附生长在pedot:pss层。125纳米的pedot:pss层单独的透射谱的平均值覆盖了95.5%的光谱范围。这就解释了为什么在这儿获得的银纳米线比之前的透射率低。在图4a中的照片显示了pedot:pss/ag纳米线在塑料上（薄膜生长的内部方格的基底？）复合材料比ito在机械应力作用下是更加具有弹性的。为了证明这一点，薄膜装配上了弹性基板在弯曲条件下对其薄层电阻进行测量。在图4b中，对在5毫升厚的pet上的ito薄膜和在5毫升厚的pet上的pedot:pss/ag纳米线复合材料薄膜做出了弯曲半径的函数图象，ito薄膜的薄层电阻显著的提高并在8.5mm时不可逆转。在8.5mm的弯曲半径和0.75%的应变下，薄层电阻的升高超过了100_ 1灾然后超过了500_ 1,在薄膜再平滑以前电阻最终回落到了113_ 1。这种滞后的行为也是符合先前观察到的ito在应力下产生裂缝的现象。相比之下，同样的实验并没有明显改变复合电极的薄膜电阻，即使在弯曲半径达到1.2毫米。在1.2毫米的弯曲半径和3.5%的应变下，复合材料的薄膜电阻只是从17变为了18，此轻微的变化可以归因于测量装置对薄膜引起的划痕。使用p3ht:pcbm的散装异质结光伏电池是装配在玻璃和塑料上的ito和pedot:pss/ag纳米线薄膜上的。相比较之下，同样的设备也建立在玻璃基板上赤裸的银纳米膜。所有的透明导体都是作为装置阳极。采用on glass/ito, on glass/bare ag nanowires, and on glass/pedot:pss/ag nanowires电极的设备的电流密度和电压在黑暗条件下和在100 mw cm 2 am 1.5g照明条件下如图5a所示。on glass/ito开路电压是0.625v，短路电流密度是10.4ma cm-2,满足因子是0.65。4.2%的电功率的交换效率。on glass/bare ag nanowires,电池性能下降显著，开路电压是0.65v，短路电流密度是2.8ma cm-2,满足因子是0.25。0.3 %的电功率的交换效率。这条曲线代表了这个研究中的所有基于赤裸的纳米线的p3ht:pcbm设备，具有明显的分流和低满足因子。最理想的活动层形态和在离散型异质结opv的相分离，对于所有的操作点都是十分关键的，电池的性能和控制加工表明使用粗糙的银纳米线对于高效的形态要求是无法实现的。这清楚的表明了为什么银纳米线薄膜不是ito合适的替代材料尽管有地电阻和高光传输率。这一点却不存在于复合材料薄膜中。on glass/pedot:pss/ag