[发明专利]纳米线-聚合物复合材料电极

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年9月24日提交的美国临时专利申请序号61/386，454的优先权，在此将其全文并入作为参考。

关于联邦资助科研或开发的声明

本发明受美国能源部资助，授权号为DE-FC26-08NT01575。政府在本发明中具有某些权利。

光盘上提交的材料的并入参考

不适用

背景技术

1．技术领域

本发明总体上涉及纳米线-聚合物复合材料电极（nanowire-polymer composite electrode）制造方法和的应用，更具体地涉及一种利用导电纳米线制造柔韧、透明导体的方法，所述导体具有光滑的有效表面（active surface），用于电子器件，例如发光器件和太阳能电池。

2．相关技术说明

有机电子器件，例如有机发光二极管（OLED）和柔性OLED，在近年得到迅猛发展。这些器件可以制成在较大面积的区域或基底上并且与低成本的制造工艺并存。许多新应用都需要这种柔韧并可变形的电子器件，例如可穿戴显示器、太阳能电池板、触摸屏、电致变色器件和非侵入性生物医学设备，上述应用可能需要大的变形以应对身体运动。可变形设备还可以形成在不规则的安装表面上。

用于这种光电器件的电极通常必须是透明和柔性的。这种柔性电极相对于基底的柔韧性以及平滑的导电层表面需要高透明度和导电率、强附着力、导电层。需要具有透明特性的高导电率以避免器件内不期望的压降和焦耳热效应，特别是对于基于电流的器件，例如有机发光二极管和太阳能电池。导电层的柔韧性和对于基底的强附着力都是防止导电层脱层所必须的。表面平滑度也是非常重要的，因为这些光电器件中的活性层的厚度通常处于几十纳米的范围内。电极层上的任何突起都可导致不需要的短路，并因此导致器件故障。

早期的柔性OLED尝试采用铟掺杂氧化锡（ITO）作为透明电极中的导电层。但是，在这些电极结构中，器件柔韧性和性能非常有限。因此研究出了很多其他透明电极来取代ITO电极，以增强薄膜器件的柔韧性。

气相淀积法（例如等离子气相淀积（PVD）或化学气相淀积（CVD））是用于生产柔性透明电极的常用方法。但是，气相淀积法需要复杂的设备和巨大的资金投入，这极大地增加了器件制造工艺的成本。另外，传统气相淀积工艺中所用材料局限于金属氧化物或混合金属氧化物，例如铟锡混合氧化物（ITO）、锑锡混合氧化物（ATO）、氟掺杂锡氧化锡（FTO）和铝掺杂氧化锌（AL-ZO）。虽然由这些材料制成的电极可以是既透明又适度导电的，但人们发现金属氧化物易碎并且对于基底的附着力很差。这种电极在需要反复变形的应用中无法生存。

另外一种方法称作溶胶-凝胶工艺（sol-gel process），用于通过前体（precursor）的水解和部分冷凝施加金属氧化物或混合金属氧化物，从而形成稳定溶胶，然后采用通常的涂布工艺。湿涂层（wet coating）经历热固化处理以形成连续高分子金属氧化物或者混合金属氧化物网络。但是，由溶胶-凝胶工艺形成的涂层通常具有松散和多孔结构并且导电率低。涂层的致密化需要在远高于柔韧基底所能承受的温度下进行退火处理。因此，该处理因此无法满足要求。

在另外一种可能的方法中，导电纳米粒子、纳米管、纳米片或者纳米线可分散在溶液中以形成稳定制剂，然后通过常用涂布法（例如喷涂法、浸涂法、流涂法、条缝涂布法和Meyer杆涂法）将其涂布在柔性基底上。但是，这些方法生产的纳米材料在溶液中是不稳定的，在最初的分散后趋于形成结块。因此，必须采用分散剂来稳定分散过程。常用的分散剂是非导电的，需要在涂布过程期间或者稍后除去以保持涂层的导电性。涂层在洗涤过程中经常从基底上脱层。从涂层中分解和烧掉分散剂不是可选择的方法，因为柔性基底不能承受极高温。

用常规的喷涂法、浸涂法或Meyer杆涂法在基底上形成的涂层还会具有大的表面高度变化，通常会超过100nm，这通常将大于常见光电器件活性层的厚度。电极层上的这些突起将导致不需要的短路，并因此导致设备故障。

因此，需要一种柔性透明电极，其具有极好的光学透明性、导电率、导电层柔韧性和对于基底的强附着力以及有效表面平滑度。还需要一种方法，其提供用于制造光电设备所用的柔性透明电极的低成本的和可规模化工艺。本发明满足这些及其他要求并且大体上为超过现有技术的改善。