[发明专利]印刷透明碳纳米管光电薄膜及其在光电器件中的应用

说明书

技术领域

本发明属于光电材料与器件领域，具体涉及一种印刷透明碳纳米管光电薄膜及其在光电器件中的应用。

背景技术

目前在电致变色智能窗领域，电致变色薄膜材料由于其节能和环保等特性，已经得到了广泛应用。电致变色薄膜材料结构主要包括透明电极层和电致变色薄膜，影响性能的主要是电致变色层的材料和结构因子。电致变色薄膜材料主要体系为氧化钨、氧化镍和氧化钒等。相变机制是电致变色材料变色的主要原因，故其存在响应慢和失效等问题。

当前电致变色材料具有光电性能，有一定的透光率和吸收率的变化。

碳纳米管光电薄膜，可在在特定波长下实现电致变色性能，其电致变色原理为电控费米面改变，具有极高的响应速度。制备碳纳米管透明导电薄膜的一种方法是在水溶液中制备分散性良好的碳纳米管悬浊液，然后通过超声离心控制其中的碳纳米管浓度，最后使用印刷等方式在衬底上涂覆碳纳米管分散液，制备透明碳纳米管光电薄膜。碳纳米管分散的常用的方法有酸处理和表面活性剂方法。其中酸处理法改变碳纳米管表面的功函数、极化强度等电学性能，通常会形成表面的P型杂化状态，不利于碳纳米管电致变色器件的性能优化；同时，酸处理成本较高，还会引入腐蚀性处理废液，不利于工业生产和制备。另一方面，使用表面活性剂会在碳纳米管表面形成一层绝缘性的包覆层，会降低碳纳米管薄膜的导电性和电学响应性能。

发明内容

为了提高碳纳米管的光电响应能力，制备性能优异的碳纳米管电致变色光学调控器件，本发明的首要目的在于提供一种印刷透明碳纳米管光电薄膜。

本发明主要针对电致变色或远红外成像光电器件，尤其是针对类电致变色智能窗光电器件提出一种新材料、新设计，能够进一步优化器件结构、提升器件性能。

本发明的另一目的在于提供上述印刷透明碳纳米管光电薄膜在光电器件中的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种印刷透明碳纳米管光电薄膜，其通过以下步骤制备得到：将羧酸官能化的碳纳米管加入到尿素水溶液中，其中羧酸官能化的碳纳米管与尿素水溶液的比例为50mg/L～1g/L；然后进行超声分散，再将分散液离心处理，最后将混合溶液(离心后会使大部分分散不完全的团聚碳管沉淀下来，混合溶液是指去除这部分沉淀碳管后的含有分散性良好碳管的溶液)印刷在衬底(例如石英等)上，制得所述印刷透明碳纳米管光电薄膜。

在尿素处理工艺中，我们采用了羧酸官能化的碳纳米管，是为了在碳纳米管表面形成OH官能团以枝接尿素分子。尿素分子可在官能化的碳纳米管表面附着，从而形成N型杂化的官能团。这种亲水性的官能团可有效改善碳管在水溶液中的分散性能，与传统的酸处理和表面活性剂处理相比具有以下优势：成本较低；无腐蚀性，处理后碳管表面杂质较少，不影响薄膜的导电性；实现表面N型杂化(N-doping)，有利于降低控制电压。

所述超声分散优选为采用50W功率超声30分钟以上，充分分散碳纳米管并促进碳纳米管和尿素的反应。

所述离心处理的转速优选为9000rpm～15000rpm，离心时间可为30～90分钟。

所述尿素水溶液的质量百分比为1％。

一种印刷透明碳纳米管光电薄膜，其通过以下步骤制备得到：将碳纳米管加入水中，其中碳纳米管与水的比例为50mg/L～1g/L；然后进行超声分散，分散液离心处理，再将混合溶液印刷在衬底(例如石英等)上，得到薄膜，最后将薄膜进行臭氧处理，制得所述印刷透明碳纳米管光电薄膜。

通过臭氧处理也能够在碳纳米管表面形成相应的OH官能团。同时，臭氧处理还有可能将其中的金属型碳纳米管去除，由于金属型碳纳米管的电致变色光电响应要远远小于半导体型碳纳米管，因此，臭氧处理还可以提高碳纳米管薄膜的光电响应性能。碳纳米管臭氧处理具有以下效果：去除金属型碳纳米管；在碳纳米管表面实现OH官能化，方便后续进行尿素处理；可通过处理参数控制碳管薄膜电阻与透光率。

所述臭氧处理时间优选为10～50分钟。

所述超声分散优选为采用50W功率超声30分钟以上，优选40分钟。

所述离心处理的转速优选为9000rpm～15000rpm，离心时间可为30～90分钟；优选在12000rpm处理1小时。

上述印刷透明碳纳米管光电薄膜具有更高的光电响应性能，可作为光电材料用于制备光电器件，例如电致变色或远红外成像光电器件，包括近红外激光设备、红外通讯设备、电致变色智能窗等。

一种印刷碳纳米管材料光电器件，该光电器件含有上述印刷透明碳纳米管光电薄膜。