银纳米线的宏量制备及其在透明导电薄膜中的应用

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一维金属纳米结构,例如纳米棒、纳米带、纳米管和纳米线,因其独特的电学、光学、磁学和热学等性质,在光电子器件、微电子以及传感器等领域具有广阔的应用前景。由于金属银的导电性(6.3×107 S·m-1)和导热性(429 W·m-1·K-1)在所有金属中都是最高的,因此已经被广泛用于电子器件中的导电界面。银纳米线,特别是直径均一、具有较高长径比的银纳米线,在催化、电子、光学器件、传感器等方面具有潜在的应用前景,成为近几年来纳米材料领域的研究热点之一。透明导电薄膜作为半导体光电器件中必不可少的部分,在诸如太阳能电池、触控面板、液晶显示器、气敏传感器、发光二极管(LEDs)等当代科学技术的各个领域得到了广泛的应用。作为一种最常见的透明导电薄膜,铟锡氧化物(ITO)成功地应用在光电子器件中长达数十年之久,并占有90%以上的市场份额。ITO在满足较低的方块电阻(10Ωsq-1)时具有较高的透过率(90%)是其普及的主要原因。然而,ITO薄膜质脆、易碎且缺乏柔韧性,此外,地壳中铟元素的丰度很低(0.05 ppm),价格十分昂贵(~$600 kg-1),ITO制备工艺复杂等因素都极大地限制了它的大规模应用。所以,ITO透明导电材料被新型的透明导电材料替代必定是今后的发展方向。  在众多取代ITO的材料中,银纳米线(AgNWs)透明导电网络,因其具有耐曲挠性、透明度高、优良的导电性和出色的导热性等优点成为制备柔性透明导电薄膜的良好选择。然而,目前银纳米线透明导电网格也存在着一些问题,比如附着力差、易氧化、表面粗糙度大等。有机无机杂化钙钛矿材料具有高的吸光系数,超过微米级别的载流子扩散长度,比较合适的禁带宽度,以及可低温溶液法制备成膜等优点,经过5-6年的时间,电池的效率从3.8%飞跃提高到20.1%。氧化镍作为一种经典的P型空穴传输层,已经成功地应用在钙钛矿太阳能电池中。但NiO为高阻半导体,电荷传输速率较慢,影响钙钛矿电池性能。本论文针对银纳米线透明导电薄膜和钙钛矿太阳能电池中NiO薄膜电导性差的问题,提出了解决办法。论文的主要研究内容如下:  1.为了降低传统透明导电薄膜材料的原料成本及制备成本,我们在温和的实验条件下,采用醇还原法,以硝酸银为银源,乙二醇为还原剂和溶剂,卤化物为晶种诱导剂,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为稳定剂和结构导向剂,一次性大量制备了4.2g的高质量银纳米线,每克的成本仅为2.8$。并对所得银纳米线的形貌和结构进行了表征。  2.针对传统银纳米线透明导电薄膜与基底之间附着力差、易氧化、表面粗糙等问题,我们将银纳米线的分散液与TiOx溶胶凝胶溶液混合,通过喷涂的方法,制备了具有出色附着力和良好稳定性的AgNWs/TiOx杂化复合透明导电薄膜,在保证良好透过率的情况下,通过优化实验条件,获得具有出色光电性能的AgNWs/TiOx透明导电薄膜。  3.针对目前钙钛矿太阳能电池中NiOx层电导性差的问题,我们用旋涂的方法制备出了三明治结构的NiOx/AgNWs/NiOx薄膜,并将其应用到钙钛矿电池中。
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