CN109586614A - 一种基于pet/银纳米线/氧化锌镁/银掺杂氧化锌镁纳米阵列的纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
一种基于PET/银纳米线/氧化锌镁/银掺杂氧化锌镁纳米阵列的纳米发电机，它包括一柔性PET，所述的柔性PET上自下而上依次制备有：1）银纳米线导电薄膜层，并构成由柔性PET/银纳米线导电层薄膜层复合的底电极；2）在所述柔性PET/银纳米线导电层薄膜层之上制备氧化锌镁薄膜层；3）在所述氧化锌镁薄膜层之上制备银掺杂氧化锌镁纳米阵列，获得柔性的银掺杂氧化锌镁纳米柱阵列；4）在所述银掺杂氧化锌镁纳米柱阵列之上制备活性层、空穴传输层；5）在上述活性层、空穴传输层上制备金顶电极层；6）在底电极和金顶电极层两个金属电极之间用铜线连接，通过导电浆料将铜丝焊接，采用环氧树脂封装焊接处。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种基于PET/银纳米线/氧化锌镁/银掺杂氧化锌镁纳米阵列的纳米发电机，属于纳米发电机技术领域。
背景技术
作为二十一世纪的重要高新科技领域，纳米发电机正经历前所未有的高速发展期。目前的纳米发电机可以包括压电纳米发电机和摩擦纳米发电机。压电纳米发电机的基本原理是纳米线在外力拉伸或压缩是，纳米线中产生压电势能，相应的瞬变电流在两端流动以平衡费米能级，从而产生电能。
随着当前电子时代的发展，比如电子皮肤、可伸缩电路器件等柔性可穿戴的电子器件在我们日常生活中起到了越来越大的作用。纳米发电机能够自发的将机械能转变成电能，这种能量转变在能源再生的各个方面引起了广泛的关注。该装置可应用于便携式电子、人体环境自发电和生物传感器等多方面用途。
纳米发电机的底电极通常采用柔性基底通过溅射或真空沉积制备的ITO薄膜作为底电极，柔性ITO薄膜方法制备复杂，价格昂贵，且ITO薄膜的抗弯折性能不佳，通常弯折数百次后ITO薄膜电学性能显著下降。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种制备过程简单，价格低廉，实用性强，易于大规模生产的基于PET/银纳米线/氧化锌镁/银掺杂氧化锌镁纳米阵列的纳米发电机及制备方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种基于PET/银纳米线/氧化锌镁/银掺杂氧化锌镁纳米阵列的纳米发电机，它包括一柔性PET，所述的柔性PET上自下而上依次制备有：
1）银纳米线导电薄膜层，并构成由柔性PET/银纳米线导电层薄膜层复合的底电极；
2）在所述柔性PET/银纳米线导电层薄膜层之上制备氧化锌镁薄膜层；
3）在所述氧化锌镁薄膜层之上制备银掺杂氧化锌镁纳米阵列，获得柔性的银掺杂氧化锌镁纳米柱阵列；
4）在所述银掺杂氧化锌镁纳米柱阵列之上制备活性层、空穴传输层；
5）在上述活性层、空穴传输层上制备金顶电极层；
6）在底电极和金顶电极层两个金属电极之间用铜线连接，通过导电浆料将铜丝焊接，采用环氧树脂封装焊接处，封装后连接至载体，即完成基于纳米结构薄膜电极的纳米发电机。
作为优选：所述银纳米线的平均长度为3-200微米，银纳米线平均直径为20-200纳米，银纳米线薄膜平均厚度是200-2000nm，银纳米线薄膜的方块电阻为20-300Ω/Sq；
所述氧化锌镁薄膜厚度是15-300nm，上述银纳米线/氧化锌镁薄膜的方块电阻低于30欧姆Ω/Sq；
所述银掺杂氧化锌镁纳米柱高度范围在500nm-6000nm，银掺杂氧化锌镁纳米柱直径为50-200 nm，银掺杂氧化锌镁纳米阵列间距为50-100nm；
所述活性层、空穴传输层的厚度是10-150nm；
所述金顶电极层厚度范围为30-100nm；
所述铜线采用导电浆料焊接至电极，导电浆料包括导电硅胶，导电碳胶，导电银浆，导电浆料焊接电极后可采用100-150℃加热10-30分钟固化焊接点。
一种如上所述基于PET/银纳米线/氧化锌镁/银掺杂氧化锌镁纳米阵列的纳米发电机的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
（a）清洗柔性PET：先用洗涤剂进行清洗，再采用乙醇超声清洗，最后采用去离子水超声清洗，最后用去离子水清洗，干燥后的柔性PET基底保持在氮气环境中；
（b）制备银纳米线薄膜：取1-10 mg/ml的银纳米线醇分散液，将柔性PET放置在旋转涂膜机之上，用旋转涂膜的方法获得银纳米线薄膜，烘干后薄膜即形成，所述银纳米线薄膜厚度是200-1000nm；
（c）制备氧化锌镁薄膜：将锌镁化合物，二乙醇胺和乙醇在40-100℃下混合并进行反应，陈化24h后形成氧化锌镁溶胶，锌镁的浓度为0.01-1mol/L，二乙醇胺与锌镁的物质的量比为1:1；将上述薄膜置在旋转涂膜机之上，用旋转涂膜的方法获得银纳米线薄膜/氧化锌镁薄膜，烘干后薄膜即形成，氧化锌镁薄膜厚度范围是10-200nm，上述银纳米线/氧化锌镁薄膜的方块电阻低于30欧姆Ω/Sq；
（d）制备银掺杂氧化锌镁纳米柱:将上述银纳米线/氧化锌镁薄膜置于烧杯中，薄膜面朝下，在所述氧化锌镁薄膜层上通过水热法生长掺杂银纳米颗粒的氧化锌镁纳米柱，形成氧化锌镁纳米柱+银纳米颗粒层，即银掺杂氧化锌镁纳米柱；银掺杂氧化锌镁纳米柱高度范围在500nm-2000nm；
（e）制备空穴传输层/活性层保护层：将上述银掺杂氧化锌镁纳米柱置在旋转涂膜机之上，用旋转涂膜的方法制备空穴传输层/活性层保护层，即P型保护层，将PEDOT：PSS溶液或2-10 mg/ml的P3HT/氯苯溶液滴于上述薄膜之上，通过旋转涂膜形成P型保护层，成膜后采用150摄氏度加热20分钟固化P型保护层；
（f）通过丝网印刷的方法制备金属或非金属金顶电极层，成膜后采用150摄氏度加热30分钟固化电极层，固化后电极层方阻在30欧姆以下；或采用真空蒸镀或溅射等真空方法制备电极层。
作为优选： 所述步骤（c）中，锌镁源为醋酸锌镁，硝酸锌镁或乙酰丙酮锌镁中的一种或多种；
所述步骤（d）中，所述氧化锌镁薄膜层上通过水热法生长掺杂银纳米颗粒的氧化锌镁纳米柱，形成氧化锌镁纳米柱+银纳米颗粒层包括：将所述氧化锌镁薄膜层面朝下，放置于容纳有硝酸锌镁、硝酸银和六亚甲基次胺溶液的水热釜内，所述硝酸锌镁与六亚甲基次胺的摩尔比为1：1，所述六亚甲基次胺的浓度为0.1～2mol/L，所述硝酸锌镁与硝酸银的摩尔比值为0.01％～0.9％，将水热釜放入鼓风干燥箱中，在85～100℃的温度条件下加热1-5h，冷却后取出样品，即获得氧化锌镁纳米柱+银纳米颗粒层，所述氧化锌镁纳米柱+银纳米颗粒层的厚度为200-5000nm，银纳米线薄膜层/氧化锌镁薄膜层/氧化锌镁纳米柱+银纳米颗粒层的方块电阻低于20Ω/Sq；
所述步骤（e）中，所述P型保护层为PEDOT：PSS溶液，或P3HT、PTB7聚合物受体材料，上述聚合物受体材料溶液可以选用氯苯或二氯苯中的一种；
所述步骤（f）中，所述电极采用铝浆料，银浆料，或金浆料丝网印刷制备，也可采用非金属碳浆料丝网印刷制备；所述电极采用真空蒸镀，溅射，电子束热蒸发方法制备。
本发明将实施制备PET/银纳米线/氧化锌镁复合薄膜/银掺杂氧化锌镁纳米阵列取代传统ITO薄膜用于纳米发电机器件领域，上述多层薄膜具有极好的柔性特征，拉伸特性，其综合性能远远优于ITO薄膜，制备过程简单，价格低廉，因此拥有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构组成示意图。
图2为本发明的制备流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图1所示，本发明所述的一种基于PET/银纳米线/氧化锌镁/银掺杂氧化锌镁纳米阵列的纳米发电机，它包括一柔性PET1，所述的柔性PET1上自下而上依次制备有：
1）银纳米线导电薄膜层2，并构成由柔性PET/银纳米线导电层薄膜层复合的底电极；
2）在所述柔性PET/银纳米线导电层薄膜层之上制备氧化锌镁薄膜层3；
3）在所述氧化锌镁薄膜层之上制备银掺杂氧化锌镁纳米阵列4，获得柔性的银掺杂氧化锌镁纳米柱阵列；
4）在所述银掺杂氧化锌镁纳米柱阵列之上制备活性层、空穴传输层5；
5）在上述活性层、空穴传输层上制备金顶电极层6；
6）在底电极和金顶电极层两个金属电极之间用铜线连接，通过导电浆料将铜丝焊接，采用环氧树脂封装焊接处，封装后连接至载体，即完成基于纳米结构薄膜电极的纳米发电机。
作为优选的实施例：本发明所述银纳米线的平均长度为3-200微米，银纳米线平均直径为20-200纳米，银纳米线薄膜平均厚度是200-2000nm，银纳米线薄膜的方块电阻为20-300Ω/Sq；
所述氧化锌镁薄膜厚度是15-300nm，上述银纳米线/氧化锌镁薄膜的方块电阻低于30欧姆Ω/Sq；
所述银掺杂氧化锌镁纳米柱高度范围在500nm-6000nm，银掺杂氧化锌镁纳米柱直径为50-200 nm，银掺杂氧化锌镁纳米阵列间距为50-100nm；
所述活性层、空穴传输层的厚度是10-150nm；
所述金顶电极层厚度范围为30-100nm；
所述铜线采用导电浆料焊接至电极，导电浆料包括导电硅胶，导电碳胶，导电银浆，导电浆料焊接电极后可采用100-150℃加热10-30分钟固化焊接点。
一种如上所述基于PET/银纳米线/氧化锌镁/银掺杂氧化锌镁纳米阵列的纳米发电机的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
（a）清洗柔性PET7：先用洗涤剂进行清洗，再采用乙醇超声清洗，最后采用去离子水超声清洗，最后用去离子水清洗，干燥后的柔性PET基底保持在氮气环境中；
（b）制备银纳米线薄膜8：取1-10 mg/ml的银纳米线醇分散液，将柔性PET放置在旋转涂膜机之上，用旋转涂膜的方法获得银纳米线薄膜，烘干后薄膜即形成，所述银纳米线薄膜厚度是200-1000nm；
（c）制备氧化锌镁薄膜9：将锌镁化合物，二乙醇胺和乙醇在40-100℃下混合并进行反应，陈化24h后形成氧化锌镁溶胶，锌镁的浓度为0.01-1mol/L，二乙醇胺与锌镁的物质的量比为1:1；将上述薄膜置在旋转涂膜机之上，用旋转涂膜的方法获得银纳米线薄膜/氧化锌镁薄膜，烘干后薄膜即形成，氧化锌镁薄膜厚度范围是10-200nm，上述银纳米线/氧化锌镁薄膜的方块电阻低于30欧姆Ω/Sq；
（d）制备银掺杂氧化锌镁纳米柱10:将上述银纳米线/氧化锌镁薄膜置于烧杯中，薄膜面朝下，在所述氧化锌镁薄膜层上通过水热法生长掺杂银纳米颗粒的氧化锌镁纳米柱，形成氧化锌镁纳米柱+银纳米颗粒层，即银掺杂氧化锌镁纳米柱；银掺杂氧化锌镁纳米柱高度范围在500nm-2000nm；
（e）制备空穴传输层/活性层保护层11：将上述银掺杂氧化锌镁纳米柱置在旋转涂膜机之上，用旋转涂膜的方法制备空穴传输层/活性层保护层，即P型保护层，将PEDOT：PSS溶液或 2-10 mg/ml的P3HT/氯苯溶液滴于上述薄膜之上，通过旋转涂膜形成P型保护层，成膜后采用150摄氏度加热20分钟固化P型保护层；
（f）通过丝网印刷的方法制备金属或非金属金顶电极层12，成膜后采用150摄氏度加热30分钟固化电极层，固化后电极层方阻在30欧姆以下；或采用真空蒸镀或溅射等真空方法制备电极层。
作为优选的实施例，本发明进一步的是：所述步骤（c）中，锌镁源为醋酸锌镁，硝酸锌镁或乙酰丙酮锌镁中的一种或多种；
所述步骤（d）中，所述氧化锌镁薄膜层上通过水热法生长掺杂银纳米颗粒的氧化锌镁纳米柱，形成氧化锌镁纳米柱+银纳米颗粒层包括：将所述氧化锌镁薄膜层面朝下，放置于容纳有硝酸锌镁、硝酸银和六亚甲基次胺溶液的水热釜内，所述硝酸锌镁与六亚甲基次胺的摩尔比为1：1，所述六亚甲基次胺的浓度为0.1～2mol/L，所述硝酸锌镁与硝酸银的摩尔比值为0.01％～0.9％，将水热釜放入鼓风干燥箱中，在85～100℃的温度条件下加热1-5h，冷却后取出样品，即获得氧化锌镁纳米柱+银纳米颗粒层，所述氧化锌镁纳米柱+银纳米颗粒层的厚度为200-5000nm，银纳米线薄膜层/氧化锌镁薄膜层/氧化锌镁纳米柱+银纳米颗粒层的方块电阻低于20Ω/Sq；
所述步骤（e）中，所述P型保护层为PEDOT：PSS溶液，或P3HT、PTB7聚合物受体材料，上述聚合物受体材料溶液可以选用氯苯或二氯苯中的一种；
所述步骤（f）中，所述电极采用铝浆料，银浆料，或金浆料丝网印刷制备，也可采用非金属碳浆料丝网印刷制备；所述电极采用真空蒸镀，溅射，电子束热蒸发方法制备。
本发明所述的实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案，同样都在本发明要求保护的范围内；同时本发明方案所有列举或者未列举的实施例中，在同一实施例中的各个参数仅仅表示其技术方案的一个实例（即一种可行性方案），而各个参数之间并不存在严格的配合与限定关系，其中各参数在不违背公理以及本发明述求时可以相互替换，特别声明的除外。
Claims (4)
1.一种基于PET/银纳米线/氧化锌镁/银掺杂氧化锌镁纳米阵列的纳米发电机，它包括一柔性PET，其特征在于所述的柔性PET上自下而上依次制备有：
1）银纳米线导电薄膜层，并构成由柔性PET/银纳米线导电层薄膜层复合的底电极；
2）在所述柔性PET/银纳米线导电层薄膜层之上制备氧化锌镁薄膜层；
3）在所述氧化锌镁薄膜层之上制备银掺杂氧化锌镁纳米阵列，获得柔性的银掺杂氧化锌镁纳米柱阵列；
4）在所述银掺杂氧化锌镁纳米柱阵列之上制备活性层、空穴传输层；
5）在上述活性层、空穴传输层上制备金顶电极层；
6）在底电极和金顶电极层两个金属电极之间用铜线连接，通过导电浆料将铜丝焊接，采用环氧树脂封装焊接处，封装后连接至载体，即完成基于纳米结构薄膜电极的纳米发电机。
2.根据权利要求1所述的基于PET/银纳米线/氧化锌镁/银掺杂氧化锌镁纳米阵列的纳米发电机，其特征在于：
所述银纳米线的平均长度为3-200微米，银纳米线平均直径为20-200纳米，银纳米线薄膜平均厚度是200-2000nm，银纳米线薄膜的方块电阻为20-300Ω/Sq；
所述氧化锌镁薄膜厚度是15-300nm，上述银纳米线/氧化锌镁薄膜的方块电阻低于30欧姆Ω/Sq；
所述银掺杂氧化锌镁纳米柱高度范围在500nm-6000nm，银掺杂氧化锌镁纳米柱直径为50-200 nm，银掺杂氧化锌镁纳米阵列间距为50-100nm；
所述活性层、空穴传输层的厚度是10-150nm；
所述金顶电极层厚度范围为30-100nm；
所述铜线采用导电浆料焊接至电极，导电浆料包括导电硅胶，导电碳胶，导电银浆，导电浆料焊接电极后可采用100-150℃加热10-30分钟固化焊接点。
3.一种如权利要求1或2所述基于PET/银纳米线/氧化锌镁/银掺杂氧化锌镁纳米阵列的纳米发电机的制备方法，其特征在于所述的制备方法包括以下步骤：
（a）清洗柔性PET：先用洗涤剂进行清洗，再采用乙醇超声清洗，最后采用去离子水超声清洗，最后用去离子水清洗，干燥后的柔性PET基底保持在氮气环境中；
（b）制备银纳米线薄膜：取1-10 mg/ml的银纳米线醇分散液，将柔性PET放置在旋转涂膜机之上，用旋转涂膜的方法获得银纳米线薄膜，烘干后薄膜即形成，所述银纳米线薄膜厚度是200-1000nm；
（c）制备氧化锌镁薄膜：将锌镁化合物，二乙醇胺和乙醇在40-100℃下混合并进行反应，陈化24h后形成氧化锌镁溶胶，锌镁的浓度为0.01-1mol/L，二乙醇胺与锌镁的物质的量比为1:1；将上述薄膜置在旋转涂膜机之上，用旋转涂膜的方法获得银纳米线薄膜/氧化锌镁薄膜，烘干后薄膜即形成，氧化锌镁薄膜厚度范围是10-200nm，上述银纳米线/氧化锌镁薄膜的方块电阻低于30欧姆Ω/Sq；
（d）制备银掺杂氧化锌镁纳米柱:将上述银纳米线/氧化锌镁薄膜置于烧杯中，薄膜面朝下，在所述氧化锌镁薄膜层上通过水热法生长掺杂银纳米颗粒的氧化锌镁纳米柱，形成氧化锌镁纳米柱+银纳米颗粒层，即银掺杂氧化锌镁纳米柱；银掺杂氧化锌镁纳米柱高度范围在500nm-2000nm；
（e）制备空穴传输层/活性层保护层：将上述银掺杂氧化锌镁纳米柱置在旋转涂膜机之上，用旋转涂膜的方法制备空穴传输层/活性层保护层，即P型保护层，将PEDOT：PSS溶液或2-10 mg/ml的P3HT/氯苯溶液滴于上述薄膜之上，通过旋转涂膜形成P型保护层，成膜后采用150摄氏度加热20分钟固化P型保护层；
（f）通过丝网印刷的方法制备金属或非金属金顶电极层，成膜后采用150摄氏度加热30分钟固化电极层，固化后电极层方阻在30欧姆以下；或采用真空蒸镀或溅射等真空方法制备电极层。
4.根据权利要求3所述基于PET/银纳米线/氧化锌镁/银掺杂氧化锌镁纳米阵列的纳米发电机的制备方法，其特征在于：
所述步骤（c）中，锌镁源为醋酸锌镁，硝酸锌镁或乙酰丙酮锌镁中的一种或多种；
所述步骤（d）中，所述氧化锌镁薄膜层上通过水热法生长掺杂银纳米颗粒的氧化锌镁纳米柱，形成氧化锌镁纳米柱+银纳米颗粒层包括：将所述氧化锌镁薄膜层面朝下，放置于容纳有硝酸锌镁、硝酸银和六亚甲基次胺溶液的水热釜内，所述硝酸锌镁与六亚甲基次胺的摩尔比为1：1，所述六亚甲基次胺的浓度为0.1～2mol/L，所述硝酸锌镁与硝酸银的摩尔比值为0.01％～0.9％，将水热釜放入鼓风干燥箱中，在85～100℃的温度条件下加热1-5h，冷却后取出样品，即获得氧化锌镁纳米柱+银纳米颗粒层，所述氧化锌镁纳米柱+银纳米颗粒层的厚度为200-5000nm，银纳米线薄膜层/氧化锌镁薄膜层/氧化锌镁纳米柱+银纳米颗粒层的方块电阻低于20Ω/Sq；
所述步骤（e）中，所述P型保护层为PEDOT：PSS溶液，或P3HT、PTB7聚合物受体材料，上述聚合物受体材料溶液可以选用氯苯或二氯苯中的一种；
所述步骤（f）中，所述电极采用铝浆料，银浆料，或金浆料丝网印刷制备，也可采用非金属碳浆料丝网印刷制备；所述电极采用真空蒸镀，溅射，电子束热蒸发方法制备。
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