喷墨打印图案无电镀制备金属网格透明电极及其柔性光电器件

Transparent electrode is an essential element of modern flexible device. Traditional transparent electrode of indium-tin oxide (ITO) is being replaced by four alternatives including conducting polymers, carbon nanotubes, graphenes and metal grids. Metal grid has the highest Figure of Merits (FoM), which possesses considerable square resistance comparable to ITO upon the transmittance up to 90%. However, high surface roughness limits its applications. Moreover, solution process under ambient temperature is necessary to be compatible with low cost, large area fabrications of transparent electrodes and final devices. To meet these ends, electroless plating in combination with ink-jet printing pattern has been utilized to fabricate metal grids transparent electrodes. Based on well-defined polymer pattern as template, the formed metal grids not only overcome the drawback of high joint resistance, but also display excellent conductivity and light transparency, as well as low surface roughness. Furthermore, stretchable and bendable transparent electrodes can be further fabricated by improving the cohesiveness and refraction coefficient of the substrates, which is more suitable for flexible optoelectronic devices.

透明电极是现代柔性光电器件的重要组成元件，目前可望代替氧化铟锡化合物(ITO)的透明电极包括导电聚合物、氧化锌、石墨烯和金属网格。导电金属网格具有最高的优值系数，90%透光率时方块电阻与ITO相当，但是其表面粗糙度大的缺点，限制了其应用。此外，为了适应大面积、低成本制备的要求，从透明电极的加工到光电器件组装，需要研究低温、溶液制备工艺。为了解决上述问题，本项目提出喷墨打印图案化结合无电镀制备金属网格透明电极的方法。以图案化聚合物为模板，通过后续无电镀工艺形成的金属网格不存在金属线搭接电阻高的弊端，具有高电导率和透光率以及低表面粗糙度。此外，本项目从增加金属网格与衬底粘附性、透明电极基底折光系数以及透明掩膜埋栅法等角度进一步提高透明电极的延展性和耐弯折性以及入光效率，同时采用透明掩膜法可进一步控制金属网格线宽均匀性和一致性以及表面粗糙度，使其适用于柔性光电器件，特别是有机和钙钛矿太阳能电池。

本项目的应用基础研究工作属于高分子能源体系纳米复合问题。本项目以金属网格透明电极及其柔性光电器件作为研究对象，通过静电纺丝、紫外纳米压印光刻和喷墨技术，分别制备无序和有序模板，结合无电镀技术，制备了银网格透明电极及其复合电极，解决了银网格的表面粗糙性和粘附性等问题，提高了透明电极的延展性和耐弯折性以及入光效率，使其适用于柔性有机和钙钛矿太阳能电池。研发的“一种免转印、高黏结性金属网格透明电极的制备方法”获得了具有87.2%的透光性和22.9 Ω/sq的方阻的银网格透明电极。该银网格柔性透明电极具有超黏结性和机械柔韧性。该成果已经成功进行转化，与有关企业进行合作，用于银纳米线防辐射服的生产，取得了良好的经济效益。基于所制备的柔性透明电极，解决了太阳能电池中界面层和活性层耐弯折的问题，实现了柔性太阳能电池的制备。创新性提出聚多巴胺和聚烯烃弹性体改善界面层的耐弯折性，使整个柔性有机太阳能电池器件的耐弯折性和稳定性显著提高。在氧化铟锡和钙钛矿层之间使用了一种导电粘性聚合物，准确地控制结晶，并起到粘合剂的作用，显著提高器件的耐弯折性。解决了有机太阳能电池活性层的耐弯折性和稳定性的问题。提出了弹性体修复钙钛矿晶界缺陷和裂纹，释放机械应力并赋予传输层抗弯折性能，克服了无机界面层固有的脆性。提出了自密性高分子封装钙钛矿界面层，有效地改善钛矿太阳能电池的长期稳定性、防水性以及弯曲耐久性。相关成果已在国际权威刊物如Angew. Chem. Int. Ed. (1篇); Nat. Commun. (1篇); Adv. Mater. (2篇); Adv. Funct. Mater. (5篇)上相继发表SCI论文33篇，授权发明专利6项，作为第一完成人获教育部自然科学奖二等奖1项，第一完成人获省级教学成果奖二等奖。