[发明专利]具有表面官能化金属纳米线的透明导电电极、它们的结构设计及制造方法

说明书

技术领域

本专利申请大体上涉及透明电极的结构及其制造方法的技术领域，尤其涉及制备具有表面官能化金属纳米线的透明电极的技术领域。

背景技术

铟锡氧化物（ITO）作为一种传统的透明电极的透明导电体已经被广泛应用在科研领域，但是它在大规模生产工艺中存在很多缺点。首先，为了制作电极，ITO是被真空沉积在基材上，但是该真空沉积工艺比较昂贵且产量低。其次，在大多数的应用中，为了确保电气性能，ITO的厚度需要达到150纳米或更厚，然而在这样的厚度下，ITO薄膜会变脆从而使之不适合于需要大面积或柔性基板的应用中。再次，为了实现良好的导电性和清晰度，ITO薄膜需要在高温下进行退火处理，最好是超过200℃，从而限制了其在诸如玻璃等耐高温基材上的应用。由于聚合物的软化点比较低，大多数基于聚合物的ITO薄膜不能同时经受为了实现高导电性和透明性的退火温度。因此，随着电光应用扩展到例如三维显示和太阳能电池等更新颖和奇特的功能，有必要设计出一种光电性能优于或者能够与ITO媲美的替代性的透明电极，但是该透明电极适合大面积柔性基板且可以通过廉价高产的方式进行制造。

因为其制造成本低、适合量产且导电性和透明性等性能优良，包含可印刷金属纳米线的透明导电电极已经被成功的证明是一种替代产品。

然而，大多数商业销售的透明电极均具有嵌入在基质中的金属纳米线。“基质”是指金属纳米线分布或者嵌入在其中的一种固态材料。该基质为金属纳米线提供了主体，并且提供了导电层的物理形式。该基质能够保护金属纳米线免受不利的环境因素的影响，如腐蚀和磨损。特别是，该基质能够显著降低环境中腐蚀性元素的渗透性，如湿度、酸微量、氧、硫等。

此外，该基质为导电层提供了良好的物理和机械性能。例如，它可以提供对基板的附着力。此外，与金属氧化物膜不同，聚合物或有机聚合物或预聚物已经成为嵌入金属纳米线更好的基质，因为它们可以是强健的和灵活的，这使得它可以低成本、高产出的制造透明导体。

但在一般情况下，基质材料比金属纳米线网络的导电性弱，甚至一些基质材料是不导电的。在聚合物基质中嵌入新的金属纳米线，降低了膜的导电性。一些电极实际上需要纳米线的一部分突出于基质材料，以能够进入导电网络，或使其表面导电。

鉴于上述情况，有需要提供一种保护金属纳米线和提高粘着力的替代方法。另外，当要使用基质时，亦有需要提供一种能够提高基质导电性的组合物或方法。

发明内容

在此，本发明揭示了一种具有表面官能化金属纳米线的透明导电电极。表面官能化的金属纳米线提供了一种更好的方法，以保护导电电极中的金属纳米线，提高导电层与基板之间的粘附力，以及通过使用电极来提高装置中导电层和后续层之间粘附力。

表面官能化的金属纳米线可以更容易地分散在导电膜中。表面官能化可以被调到保护金属纳米线抗氧化以及暴露出金属纳米线的某些表面使其表面导电。此外，具有表面官能化金属纳米线的导电电极在较低的渗透标准就能导电。并且，当电极被制作为光电设备的底部电极或顶部电极时，表面官能化提高了金属纳米线与基板、导电膜的粘合剂或者装置中的其他层之间的粘附力。

此外，表面官能化可以通过适当选择所需浓度的功能群的来调整。例如，该功能群可以在一个合适的长度或浓度，通过使用一组合适的折射率来有效地降低反射损失和不必要的眩光。

此外，经过表面官能化后，这些纳米线可以保留其导电性，但失去了光学光泽。这是一个基于导电薄膜来制作超低雾度（雾度<0.5）的银纳米线的关键推动因素。当前，基于TCE的银纳米线的其中一个主要挑战是它们在低薄膜电阻时的高雾度。

在本发明的第一方面，在一个实施方式中揭示了一种透明导电电极。该透明导电电极包括一个基板以及沉积在基板顶部的主要单导电层。其中，所述主要单导电层包括表面官能化的金属纳米线。在一个示例中，所述表面官能化的金属纳米线是这样的金属纳米线，其具有银核及卤化银保护壳的表面官能化的核-壳结构。在另一个例子中，所述表面官能化的金属纳米线是这样的金属纳米线，其具有银核及氧化银保护壳的表面官能化的核-壳结构。

在本发明的第一方面，在另一实施方式中揭示了一种透明导电电极的制作方法。该透明导电电极包括一个基板以及沉积在基板顶部的主要单导电层。其中，所述主要单导电层包括表面官能化的金属纳米线。在一个示例中，所述表面官能化的金属纳米线是这样的金属纳米线，其具有银核及卤化银保护壳的表面官能化的核-壳结构。在另一个例子中，所述表面官能化的金属纳米线是这样的金属纳米线，其具有银核及氧化银保护壳的表面官能化的核-壳结构。