CN106517812B - 绒面透明导电的FTO/Gr-CNTs复合薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绒面透明导电的FTO/Gr‑CNTs复合薄膜及其制备方法,该发明在掺杂氟(F)的氧化锡(FTO)薄膜中添加极少量石墨烯(Gr)‑碳纳米管(CNTs)三维复合物,构筑FTO/Gr‑CNTs复合薄膜及其制备方法。该复合薄膜具有高雾度、低表面电阻和高透过率的特点,可用于太阳能薄膜电池的前电极材料等领域。该方法工艺简单、成本低。在该复合薄膜中,石墨烯‑碳纳米管的三维复合物虽然含量极少,却可以弥合FTO晶粒之间的孔隙,发挥“桥”的作用,提高电子的迁移速率,增强导电性能。本发明光电性能优越、硬度大、耐久性好,具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于一种透明导电薄膜领域,尤其涉及一种在掺杂氟的氧化锡(fluorinedoped tin oxide,FTO)薄膜中掺加石墨烯(Graphine,Gr)和碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)的三维复合物,制备新型高雾度FTO/Gr-CNTs复合薄膜的方法。
背景技术
绒面(或称高雾度)透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide,TCO)薄膜是太阳能电池前电极的关键材料,不仅需要低的表面电阻率和高可见光透过率而且需要高雾度,以增加光程,提高光电转化效率。雾度(haze)是偏离入射光2.5°角以上的透射光强占总透射光强的百分数。长期以来,绒面TCO薄膜的制备依靠酸碱刻蚀法制备,成本高、对环境有污染。掺杂F的氧化锡薄膜(FTO)具有成本低、耐久性好、硬度大、与基体附着牢固等特点,这种薄膜可以直接生长出织构化的表面(即绒面),不需要再进行酸蚀,因此,成为工业化制备绒面TCO薄膜的首选。但是,为了形成绒面,需要增大晶粒尺寸,这造成孔隙率等薄膜缺陷增加,使导电性下降。目前,商品化的绒面FTO薄膜的雾度值一般为10%左右,如何制备兼具高雾度、高导电性和高可见光透射比的透明导电薄膜是一个十分重要的课题。
石墨烯和碳纳米管(CNTs)材料自上世纪90年代被发现以来,其极大的比表面积、良好的导电性以及优秀的机械性能受到人们的普遍关注。碳纳米管和石墨烯都可以单独用来制备透明导电薄膜,但是,虽然石墨烯和碳纳米管的电子传输速率很高,但载流子浓度不高,而导电性是由载流子浓度和迁移率共同决定的。所以无论是纯的石墨烯薄膜还是碳纳米管薄膜,表面电阻都较高。此外,这种薄膜与基体的结合力较低,也限制了其应用范围。
FTO薄膜具有高的载流子浓度,石墨烯和碳纳米管具有高的电子迁移速率,将石墨烯或碳纳米管添加到FTO薄膜中,构筑新型透明导电复合薄膜形成了新的电子转移通道,弥合了裂纹,起到了“纳米桥”的作用,有望产生协同效应。
碳纳米管和石墨烯分别是优良的一维和二维碳材料,在电学和力学等方面有着相似的性质,但由于结构不同,它们也有很多不同之处,它们分别体现出了一维的和二维的各向异性,如导电性、力学性能和导热性等。为了结合两者的优点,人们将石墨烯和碳纳米管复合成三维网状结构,通过它们之间的协同效应,使其表现出比任意一种单一材料更加优异的性能,例如更好的各向同性导电性、各向同性导热性、各向同性力学性能等,有研究表明,石墨烯-碳纳米管三维网络复合物(Gr-CNTs)还有利于防止缠绕,比单独使用石墨烯或碳纳米管的效果更好。
尽管已有一些制备Gr-CNTs复合物的报道,但将这种三维网络复合物与FTO薄膜相结合构筑FTO/Gr-CNTs复合膜的研究尚未见报道。本发明拟在FTO薄膜中添加石墨烯和碳纳米管的三维复合物,构筑FTO/Gr-CNTs复合薄膜。石墨烯提供的巨大的总表面积,碳纳米管连接石墨烯片,形成了网络结构,弥合FTO薄膜的孔隙和裂隙,增强了电子传导速率。这种FTO/Gr-CNTs复合薄膜通过协同增强效应成为一种新的透明导电薄膜。
发明内容
本发明提供一种绒面透明导电的FTO/Gr-CNTs复合薄膜及其制备方法。该发明利用FTO薄膜具有很高的载流子浓度、碳纳米材料具有高的载流子迁移率的优势,在FTO薄膜中添加石墨烯-碳纳米管复合物(Gr-CNTs),构筑FTO/Gr-CNTs复合薄膜,在FTO薄膜中形成新的电流转移通道的优势,制备综合性能更好的透明导电薄膜。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种绒面透明导电的FTO/Gr-CNTs复合薄膜,所述复合薄膜是由掺杂氟(F)的氧化锡(FTO)和石墨烯-碳纳米管复合物(G-CNTs)所组成,该复合薄膜可采用喷雾热解法沉积在热的玻璃基体上,玻璃基体温度为450-600℃,其中,石墨烯-碳纳米管复合物(G-CNTs)的含量不超过1g/L,厚度为300-900nm,表面电阻小于5Ω/sq,可见光透射比不小于75%。
一种绒面透明导电的FTO/Gr-CNTs复合薄膜的制备方法,其步骤如下:
(a)将经过纯化的石墨烯和碳纳米管按比例1:10~1:100进行液相混合并加入表面活性剂进行分散,超声振荡20小时以上;
(b)将单丁基三氯化锡(MBTC)、氟化铵(NH3F)、盐酸、甲醇按比例1:(0.2~0.4):(5~7):(20~60)混合搅拌7~14小时,并陈化20~30h,制成镀膜前驱物;
(c)将石墨烯-碳纳米管(G-CNTs)复合物加入到镀膜前驱物中并充分搅拌10~30h;
(d)采用喷雾热解法将悬浮液喷到加热的玻璃基板上,温度450~600℃。
(e)然后自然冷却。
所述步骤(a)中,所述石墨烯和碳纳米管复合物(G-CNTs)的纯化方法如下:
(1)将石墨烯和碳纳米管分别加入到质量浓度为60~70%硫酸+硝酸混合酸加热到95±5℃,再搅拌2个小时进行纯化以除去杂质,然后洗涤至PH中性;
(2)将石墨烯和碳纳米管按1:20的比例混合,再加入到质量浓度30%的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中进行超声搅拌20个小时以上,得到石墨烯-碳纳米管复合物(G-CNTs)。
所述步骤(a)中石墨烯和碳纳米管的优选比例为1:20,表面活性剂首选为质量浓度30%的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。
所述步骤(b)中,所述单丁基三氯化锡(MBTC)、氟化铵(NH3F)、盐酸、甲醇的摩尔比的优选比例为1:0.3:6.5:45;其中氟化铵也可以采用三氟乙酸。
所述镀膜方法也可以采用旋涂法或提拉法。
所述薄膜厚度由透射比和表面电阻共同决定。
本发明的有益效果是:该发明利用FTO薄膜具有很高的载流子浓度、碳纳米材料具有高的载流子迁移率的优势,在FTO薄膜中添加石墨烯-碳纳米管复合物(Gr-CNTs),构筑FTO/Gr-CNTs复合薄膜,在FTO薄膜中形成新的电流转移通道的优势,制备的绒面透明导电FTO/Gr-CNTs复合薄具有高雾度、低表面电阻和高透过率的特点,可用于太阳能薄膜电池的前电极材料等领域。在该复合薄膜中,石墨烯-碳纳米管的三维复合物虽然含量极少,却可以弥合FTO晶粒之间的孔隙,发挥“桥”的作用,提高电子的迁移速率,增强导电性能。本发明工艺简单、成本低、光电性能优越、硬度大、耐久性好,具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是FTO/Gr-CNTs复合膜制备的工艺流程图;
图2是FTO/Gr-CNTs复合膜表面电阻与浓度的关系;
图3是FTO/Gr-CNTs复合膜可见光透射比与浓度的关系;
图4是复合膜表面电阻与Gr-CNTs复合物浓度的关系。
具体实施方式
实施例1
准确量取25ml HNO3和75ml H2SO4并将其混合均匀,称取100mg多壁碳纳米管(MWCNTs,深圳纳米港公司生产)倒入混合酸液中,磁力搅拌均匀,然后在95℃保温1h;待酸液中的碳纳米管沉降后,倒掉上层溶液,然后多次加蒸馏水稀释并离心沉降至PH=7;将CNT混液倒入大烧杯中,放入干燥箱中烘干;用研钵将烘干后的团块研成细粉末,然后在高温炉中500℃锻烧10min后收集备用。称取15mg聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与15mg CNT、1mg石墨烯(美国xGnP Grade M公司)混合研磨均匀后分散于20ml纯水中制成悬浮液,用保鲜膜密封烧杯口后进行超声震荡5小时作为A液;在天平上称取22.54g的MBTC倒于广口瓶中的浓盐酸(10ml)中,将混合液置于磁力搅拌器上搅拌30min后得到B液;称取1.85g氟化铵溶于12.5ml去离子水中,磁力搅拌30min后得到C液;将C液倒入到B液中,并加入65ml甲醇继续磁力搅拌3h制成D液;将A液投入到D液中,继续磁力搅拌12h得到镀膜反应热解液。
将石英玻璃片放在加热台上。升温到520℃,用压缩空气喷雾器将热解液喷涂到热的玻璃基体上,喷涂距离为19cm,喷涂间隔20秒,沉积次数20次。自然冷却至室温。
结果表明:掺入Gr-CNTs复合物的FTO复合薄膜,没有任何添加的单相FTO薄膜的表面电阻为14.4Ω/sq,随着Gr-CNTs复合物含量的增加,复合薄膜的表面电阻呈先下降后上升的趋势,在0.25g/L含量时达到最小值3.9Ω/sq,雾度值为15%,可见光透过率大于78%。
实施例2
将1.0mg的氧化石墨烯(GO)置于5μL二次蒸馏水中进行超声波分散,然后滴入5μL水合肼和35μL浓氨水,强烈搅拌若干时间,然后95℃水浴2h,得到Gr水溶胶(A);将30mg多壁碳纳米管置于250mL,质量浓度70%的浓硝酸溶液中进行纯化,加热至95℃,磁力搅拌4小时,用二次蒸馏水反复过滤洗涤至PH中性后,加入到12mL质量浓度1%的偶氮二异丁腈(AIBN)乙醇溶液中,超声震荡15分钟,得到悬浮液(B);将A、B按质量比1:1的比例先进行水相混合,超声分散2h,然后将悬浊液以3000r/min的转速离心处理15min以除去没有分散的CNTs,再将剩余悬浮液高速(15000r.p.m)离心分离20min,得到相对纯净的Gr-CNTs复合物的分散液(C)。称取1.11g(0.03mol)氟化铵溶于20mL(1mol)去离子水中,磁力搅拌10min后得到氟化铵溶液;称取一定量(0.03mol~0.12mol)MBTC与12mL浓盐酸(0.65mol)混合后加入144mL(4.5mol)甲醇制备成混合溶液;将氟化铵溶液缓慢加入至混合溶液中,常温下磁力搅拌6h制成D溶液;将C液缓慢加入D液中,超声搅拌30min,在室温下陈化48h,作为镀膜前驱物备用。将20×20×1mm的石英玻璃片用无水乙醇和去离子水进行彻底地超声清洗,洗净后放入真空干燥箱中烘干备用。将玻璃片置于加热台加热,控制炉温550℃,采用喷雾热解法在玻璃上镀膜5次,将镀膜玻璃置于电阻炉中进行550℃热处理60分钟,然后自然冷却。
实验结果:添加不同含量Gr-CNTs时的表面电阻变化情况如图4所示。可以看出:浓度为0.03g/L时,表面电阻最低,仅为2.01Ω/sq,此时可见光透射比为76%,雾度值为17%。而同等条件下,单相FTO薄膜的最好结果为14.4Ω/sq。可见,Gr-CNTs复合物的适量加入,可使表面电阻大大下降。
Claims (4)
1.一种绒面透明导电的FTO/Gr-CNTs复合薄膜,其特征在于:所述复合薄膜是由掺杂氟的氧化锡和石墨烯-碳纳米管复合物所组成,该复合薄膜采用喷雾热解法沉积在温度为450-600℃的玻璃基体上,其中,石墨烯-碳纳米管复合物的含量不超过1g/L,厚度为300-900nm,表面电阻小于5Ω/sq,可见光透射比不小于75%;
所述的绒面透明导电的FTO/Gr-CNTs复合薄膜的制备方法,其步骤如下:
(a)将经过纯化的石墨烯和碳纳米管按比例1:10~1:100进行液相混合并加入表面活性剂进行分散,超声振荡20小时以上;
所述步骤(a)中,所述石墨烯和碳纳米管复合物的纯化方法如下:
(1)将石墨烯和碳纳米管分别加入到质量浓度为60~70%硫酸+硝酸混合酸加热到95±5℃,再搅拌2个小时进行纯化以除去杂质,然后洗涤至pH中性;
(2)将石墨烯和碳纳米管按1:20的比例混合,再加入到质量浓度30%的聚乙烯吡咯烷酮中进行超声搅拌20个小时以上,得到石墨烯-碳纳米管复合物;
(b)将单丁基三氯化锡、氟化铵、盐酸、甲醇按比例1:(0.2~0.4):(5~7):(20~60)混合搅拌7~14小时,并陈化20~30h,制成镀膜前驱物;
(c)将石墨烯-碳纳米管复合物加入到镀膜前驱物中并充分搅拌10~30h;
(d)采用喷雾热解法将悬浮液喷到加热的玻璃基板上,温度450~600℃;
(e)然后自然冷却。
2.一种如权利要求1所述的绒面透明导电的FTO/Gr-CNTs复合薄膜的制备方法,其步骤如下:
(a)将经过纯化的石墨烯和碳纳米管按比例1:10~1:100进行液相混合并加入表面活性剂进行分散,超声振荡20小时以上;
所述步骤(a)中,所述石墨烯和碳纳米管复合物的纯化方法如下:
(1)将石墨烯和碳纳米管分别加入到质量浓度为60~70%硫酸+硝酸混合酸加热到95±5℃,再搅拌2个小时进行纯化以除去杂质,然后洗涤至pH 中性;
(2)将石墨烯和碳纳米管按1:20的比例混合,再加入到质量浓度30%的聚乙烯吡咯烷酮中进行超声搅拌20个小时以上,得到石墨烯-碳纳米管复合物;
(b)将单丁基三氯化锡、氟化铵、盐酸、甲醇按比例1:(0.2~0.4):(5~7):(20~60)混合搅拌7~14小时,并陈化20~30h,制成镀膜前驱物;
(c)将石墨烯-碳纳米管复合物加入到镀膜前驱物中并充分搅拌10~30h;
(d)采用喷雾热解法将悬浮液喷到加热的玻璃基板上,温度450~600℃;
(e)然后自然冷却。
3.根据权利要求2所述的绒面透明导电的FTO/Gr-CNTs复合薄膜的制备方法,其特征在于:所述步骤(a)中石墨烯和碳纳米管的优选比例为1:20,表面活性剂首选为质量浓度30%的聚乙烯吡咯烷酮。
4.根据权利要求2所述的绒面透明导电的FTO/Gr-CNTs复合薄膜的制备方法,其特征在于:所述步骤(b)中,所述单丁基三氯化锡、氟化铵、盐酸、甲醇的摩尔比的优选比例为1:0.3:6.5:45;其中氟化铵也可使用三氟乙酸。
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