CN108962497A - 一种在图形化衬底上制备银纳米线基透明导电薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

一种在图形化衬底上制备银纳米线基透明导电薄膜的方法，包括以下步骤：制备具有微纳米级结构的图形化衬底；在图形化衬底上通过旋涂法、喷涂法以及旋涂与喷涂结合的方式制备银纳米线基透明导电薄膜，然后在50℃—100℃之间的温度的环境下干燥5min‑30min；在银纳米线基透明导电薄膜制备氧化锌保护层；进行高温热处理，完成制备。本发明具有工艺简单、成本低、可量产化、尺寸可控等优点，更重要的是，制备在图形化衬底上的透明电极具有高散射，更高比表面积等优势，并能在性能上保持高的光透过率，高导电性以及良好的稳定性等特点。

Description

一种在图形化衬底上制备银纳米线基透明导电薄膜的方法

技术领域

本发明属于微纳米光电材料技术领域，具体地说是一种在图形化衬底上制备银纳米线基透明导电薄膜的方法。

背景技术

光电器件中图形化表面结构衬底具有比表面积大，光散射能力强等特性，并且图形化表面结构具备良好的光吸收能力。银纳米线作为现今重要的透明导电材料之一，其优良的导电性，光透过率，是未来取代商业铟锡氧化物(ITO)的重要光电材料。氧化锌作为一种半导体氧化物材料，是作为保护银纳米线不被氧化的一种绝佳材料，制备出的复合薄膜具备良好的稳定性。基于银纳米线(AgNWs)/氧化锌(ZnO)复合薄膜的透光导电性，配合图形化衬底构建出一个三维分布的透明电极。该分布模式，能够使得导电层与图形化衬底接触的更充分，对于未来衬底与导电层的性能转换方面有极大提升作用。同时，无论是银纳米线还是图形化衬底都具有良好的光散射性，因而该电极可叠加出更高的的光散射能力，再基于图形化表面的光吸收能力和更大的比表面积，对于未来太阳能电池、超级电容器、发光二极管以及光电探测器等都具有一定程度上的性能提升。如在三维表面的太阳能电池上更充分的吸收电荷，除硅基太阳能电池外，有机太阳能电池如果将衬底表面图形化，也将极大提高光的内反射，从而提高光电转换效率。同时，图形化衬底制备的电极也可以用在超级电容器上来提高比表面积的方式来增加电荷储量。结合两种材料的不同特性，在光电器件上可以得到广泛的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在图形化衬底上制备银纳米线基透明导电薄膜的方法，具有工艺简单、成本低、可量产化、尺寸可控等优点，同时，在性能上具有高的光透过率，高导电性以及产品具有良好的稳定性等特点。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种在图形化衬底上制备银纳米线基透明导电薄膜的方法，包括以下步骤：

制备具有微纳米级结构的图形化衬底；

在图形化衬底上通过旋涂法、喷涂法或旋涂与喷涂结合的方式制备银纳米线基透明导电薄膜，然后在50℃—100℃之间的温度的环境下干燥5min-30min；

在银纳米线基透明导电薄膜制备氧化锌保护层；

进行高温热处理，完成制备。

所述采用旋涂法制备银纳米线基透明导电薄膜，采用银纳米线悬浮液，该银纳米线悬浮液的浓度为0.1mg/ml—10mg/ml，旋涂速度为1000转/分钟—8000转/分钟。

所述采用喷涂法制备银纳米线基透明导电薄膜，采用银纳米线悬浮液，该银纳米线悬浮液的浓度为0.1mg/ml—10mg/ml，喷涂时间为1s—10min。

所述采用喷涂法和旋涂法结合的方式制备银纳米线基透明导电薄膜，将样品在旋涂机上高速旋转，然后在样品上方，由喷涂设备同时进行喷涂镀膜，获取均匀膜厚的银纳米线基薄膜，旋喷涂采用浓度为0.1mg/ml—10mg/ml的银纳米线悬浮液，喷涂时间为1s-10min，旋转速度为1000转/分钟—8000转/分钟。

所述制备氧化锌保护层，先制备氧化锌悬浮液，通过乙酸锌和无水乙醇按一定比例进行配比获取，配比为1g乙酸锌：15ml—40ml无水乙醇，将乙酸锌和无水乙醇混合后通过超声法将其震碎并溶解，超声时间为10min—60min，超声结束后，进行搅拌同时滴入乳酸，该乳酸的滴入量为0.01ml—1ml，再加入去离子水直至清澈；

再将氧化锌悬浮液渡在已经制备好的银纳米线基薄膜上，旋涂层数为1-10层，喷涂时间为10s-10min。

所述高温热处理具体为：针对已经制备好的银纳米线基薄膜/氧化锌保护层的复合薄膜在200℃—400℃的温度下，同时通入惰性气体，形成对银纳米线之间的焊接效果，在光透过率不变的情况下减小银纳米线之间的接触电阻。

所述衬底的形貌为三棱锥、四棱锥、六棱锥、半圆形、圆锥体或条状，形貌周期在300nm到5μm之间。

本发明具有以下有益效果：

1、该发明通过两种光电材料的配合，获取高性能的三维表面的透明电极。

2、该发明具有工艺简单，可控性强，重复性强的优势，有利于量产。

3、该发明的图形化衬底和透明导电层接触面更大，未来将更利于半导体光电材料的开发。

4、该发明的透明电极具有高散射、更高比表面积的特性，对于太阳能电池、超级电容器、发光二极管以及光电探测器等光电器件的性能提升有很高的参考价值。

附图说明

附图1为本发明剖面结构示意图；

附图2为本发明应用在有机太阳能电池优化的示意图；

附图3为本发明具体实施例样品针对透明超级电容器优化的示意图；

附图4为本发明具体实施例中部分样品的薄膜方块电阻与光透过率。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明揭示了一种在图形化衬底上制备银纳米线基透明导电薄膜的方法，包括以下步骤：

S1，制备具有微纳米级结构的图形化衬底1，通过常规的光刻、电感耦合等离子体蚀刻(ICP)制备出所需的各种形貌的微纳米级结构的图形化衬底，衬底包括蓝宝石、二氧化硅、硅、碳化硅、氮化镓等。

S2，在图形化衬底上通过旋涂法、喷涂法或旋涂与喷涂结合的方式制备银纳米线基透明导电薄膜2，然后在50℃—100℃之间的温度的环境下干燥5min-30min。

S3，在银纳米线基透明导电薄膜上制备氧化锌保护层，对银纳米线基透明导电薄膜起到有效的保护作用。

S4,在200℃—400℃的温度下进行高温热处理，同时通入惰性气体，形成对银纳米线之间的热焊接效果，在光透过率不变的情况下减小银纳米线之间的接触电阻，完成制备。惰性气体可为氮气或氩气。

所述采用旋涂法制备银纳米线基透明导电薄膜，采用银纳米线悬浮液，该银纳米线悬浮液的浓度为0.1mg/ml—10mg/ml，旋涂速度为1000转/分钟—8000转/分钟，旋涂次数一般为1-10次，根据厚度要求而定。

所述采用喷涂法制备银纳米线基透明导电薄膜，采用银纳米线悬浮液，该银纳米线悬浮液的浓度为0.1mg/ml—10mg/ml，喷涂时间为1s—10min。

所述采用喷涂法和旋涂法结合的方式制备银纳米线基透明导电薄膜，将样品在旋涂机上高速旋转，然后在样品上方，由喷涂设备同时进行喷涂镀膜，获取均匀膜厚的银纳米线基薄膜，旋喷涂采用的银纳米线悬浮液浓度为0.1mg/ml—10mg/ml，喷涂时间为1s-10min，旋转速度为1000转/分钟-8000转/分钟。。

所述制备氧化锌保护层，先制备氧化锌悬浮液，通过乙酸锌和无水乙醇按一定比例进行配比获取，配比为1g乙酸：15ml—40ml无水乙醇，将乙酸锌和无水乙醇混合后通过超声法将其震碎并溶解，超声时间为10min—60min，超声结束后，进行搅拌同时滴入乳酸，该乳酸的滴入量为0.01ml—1ml，再加入去离子水直至清澈。

再将氧化锌悬浮液渡在已经制备好的银纳米线基透明导电薄膜上，旋涂层数为1-10层，喷涂时间为10s-10min。

所述衬底的形貌为三棱锥、四棱锥、六棱锥、半圆形、圆锥体或条状，形貌周期在300nm到5μm之间。

实施例1

通过常规的光刻、电感耦合等离子体蚀刻(ICP)制备出所需的各种形貌的微纳米级结构的蓝宝石衬底.

制备出的蓝宝石衬底为圆锥体形貌，形貌周期3μm。

将银纳米线悬浮液通过旋涂法，镀膜结束放置在60℃之间的温度的环境下5分钟。

通过调整旋涂过程中的旋涂速度6000转/分钟，银纳米线悬浮液的浓度1mg/ml，旋涂次数3层。

制备氧化锌悬浮液，通过乙酸锌和无水乙醇按一定比例进行配比获取，配比为1g乙酸锌和40ml无水乙醇，通过超声法将其震碎并溶解，超声时间为60min，超声结束后，进行搅拌同时滴入0.6ml乳酸，再加入去离子水直至清澈。

通过氧化锌悬浮液渡在已经制备好的银纳米线薄膜上，旋涂层数为3层。

将制备好的银纳米线/氧化锌（AgNWs/ZnO）复合薄膜进行200℃热处理，同时在炉内通入氮气，完成制备。

如附图2，将本发明结构应用在有机太阳能电池，传统的太阳能电池，只能在外层表面实现入射光的入射和反射，为二维形式的入射和反射。应用本方案的优化后，将二维更改为三维形式，依次为衬底3、银纳米线基透明导电层4、PEDOT:PSS５、PCBM６、Ca/Al7,银纳米线作为透明导电层，以三维形式增加光的传导，使光在内部经过多次折射，提高了光的散射能力，提高光电转换效率。如附图3所示，对透明超级电容器的优化，传统的超级电容器，电荷以二维形式分布在表面的活性储电层。优化后，由二维改进为三维形式，增加了银纳米线基透明导电薄膜与衬底的接触面积，获得高性能的三维表面，具体为衬底8、银纳米线基透明导电层9和活性储电层10，电荷11。图形化结构表面上制备的透明超级电容器具有更大的比表面积，表面可以存储更多的电荷。如附图4，本发明经过热处理后，在相同光透过率的情况下有效降低了电阻。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种在图形化衬底上制备银纳米线基透明导电薄膜的方法，包括以下步骤：

制备具有微纳米级结构的图形化衬底；

在图形化衬底上通过旋涂法、喷涂法或旋涂与喷涂结合的方式制备银纳米线基透明导电薄膜，然后在50℃—100℃之间的温度环境下干燥5min-30min；

在银纳米线基透明导电薄膜上制备氧化锌保护层；

进行高温热处理，完成制备。

2.根据权利要求1所述的在图形化衬底上制备银纳米线基透明导电薄膜的方法，其特征在于，所述采用旋涂法制备银纳米线基透明导电薄膜，采用银纳米线悬浮液，该银纳米线悬浮液的浓度为0.1mg/ml—10mg/ml，旋涂速度为1000转/分钟—8000转/分钟。

3.根据权利要求1所述的在图形化衬底上制备银纳米线基透明导电薄膜的方法，其特征在于，所述采用喷涂法制备银纳米线基透明导电薄膜，采用银纳米线悬浮液，该银纳米线悬浮液的浓度为0.1mg/ml—10mg/ml，喷涂时间为1s—10min。

4.根据权利要求1所述的在图形化衬底上制备银纳米线基透明导电薄膜的方法，其特征在于，所述采用喷涂法和旋涂法结合的方式制备银纳米线基透明导电薄膜，将样品在旋涂机上进行高速旋转，然后在样品上方，由喷涂设备同时进行喷涂镀膜，获取均匀膜厚的银纳米线基透明导电薄膜，旋喷涂采用浓度为0.1mg/ml—10mg/ml的银纳米线悬浮液，喷涂时间为1s-10min，旋转速度为1000转/分钟—8000转/分钟。

5.根据权利要求1所述的在图形化衬底上制备银纳米线基透明导电薄膜的方法，其特征在于，所述制备氧化锌保护层，先制备氧化锌悬浮液，通过乙酸锌和无水乙醇按一定比例进行配比获取，配比为1g乙酸锌：15ml—40ml无水乙醇，将乙酸锌和无水乙醇混合后通过超声法将其震碎并溶解，超声时间为10min—60min，超声结束后，进行搅拌同时滴入乳酸，该乳酸的滴入量为0.01ml—1ml，再加入去离子水直至清澈；

再将氧化锌悬浮液渡在已经制备好的银纳米线基薄膜上，旋涂层数为1-10层，喷涂时间为10s-10min。

6.根据权利要求1所述的在图形化衬底上制备银纳米线基透明导电薄膜的方法，其特征在于，所述高温热处理具体为：针对已经制备好的银纳米线基薄膜/氧化锌保护层的复合薄膜在200℃—400℃的温度下，同时通入惰性气体，形成对银纳米线之间的热焊接效果，在光透过率不变的情况下减小银纳米线之间的接触电阻。

7.根据权利要求1所述的在图形化衬底上制备银纳米线基透明导电薄膜的方法，其特征在于，所述衬底的形貌为三棱锥、四棱锥、六棱锥、半圆形、圆锥体或条状，形貌周期在300nm到5μm之间。