ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.11.2023
Просмотров: 82
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
полиацетилена, полианилина, полипиррола или политиофенов. Эти полимеры имеют сопряженные двойные связи, которые обеспечивают проводимость. Манипулируя структурой полос, политиофены были модифицированы для достижения разделения HOMO-LUMO (запрещенная зона ), которое достаточно велико, чтобы сделать их прозрачными для видимого света.
Области применения
Прозрачные проводящие полимеры используются в качестве электродов в светоизлучающих диодах и фотоэлектрических устройствах. Они имеют проводимость ниже, чем у прозрачных проводящих оксидов, но имеют низкое поглощение видимого спектра, что позволяет им действовать как прозрачный проводник на этих устройствах. Однако, поскольку прозрачные проводящие полимеры действительно поглощают часть видимого спектра и значительное количество среднего и ближнего ИК, они снижают эффективность фотоэлектрических устройств.
Прозрачные проводящие полимеры могут быть превращены в гибкие пленки, что делает их желательными несмотря на их более низкую проводимость. Это делает их полезными при разработке гибкой электроники, где традиционные прозрачные проводники не работают.
Поли (3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT)
Поли (3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT) имеет электропроводность примерно до 1000 См / см. Тонкие окисленные пленки PEDOT имеют ок. Поглощение 10% или менее в видимой области спектра и отличная стабильность. Однако ПЕДОТ нерастворим в воде, что затрудняет переработку и делает ее дорогостоящей.
Ширина запрещенной зоны PEDOT может варьироваться от 1,4 до 2,5 эВ путем изменения степени π-перекрытия вдоль основной цепи. Это может быть сделано путем добавления заместителей вдоль цепи, что приводит к стерическим взаимодействиям, предотвращающим π-перекрытие. Заместители также могут принимать или отдавать электроны, что изменяет электронный характер и, таким образом, изменяет ширину запрещенной зоны. Это позволяет формировать проводник с широкой запрещенной зоной, который прозрачен для видимого спектра.
PEDOT получают путем смешивания мономера EDT с окислителем, таким как FeCl 3. Окислитель действует как инициатор полимеризации. Исследования показали, что увеличение соотношения [FeCl 3 ] / [мономер] снижает растворимость PEDOT. Считается, что это является результатом повышенного сшивания в полимере, что затрудняет его растворение в растворителе.
Поли (3,4-этилендиокситиофен) PEDOT: поли (стиролсульфонат) PSS
Допирование PEDOT поли (стиролсульфонатом) может улучшить свойства по сравнению с немодифицированным PEDOT. Этот состав PEDOT: PSS стал лидером в производстве прозрачных проводящих полимеров. PEDOT: PSS растворяется в воде, что упрощает обработку. ПЕДОТ: ПСС имеет проводимость от 400 до 600 См / см, при этом пропускает 80% видимого света. Обработка на воздухе при 100 ° C в течение более 1000 часов приведет к минимальному изменению проводимости. Недавно сообщалось, что проводимость PEDOT: PSS может быть улучшена до более чем 4600 См / см.
PEDOT: PSS получают путем полимеризации мономера EDT в водном растворе PSS с использованием Na 2S2O8как окислитель. Затем на этот водный раствор наносят покрытие центрифугированием и сушат для получения пленки.
Поли (4,4-диоктилциклопентадитиофен)
Поли (4,4-диоктилциклопентадитиофен) может быть легирован йод или 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-бензохинон (DDQ) с образованием прозрачного проводника. Легированный полимер имеет низкое поглощение в видимой области спектра с полосой поглощения с центром около 1050 нм. При легировании йодом может быть достигнута проводимость 0,35 См / см. Однако йод имеет тенденцию диффундировать в воздух, что делает поли (4,4-диоктилциклопентадитиофен), допированный йодом, нестабильным.
Сам DDQ имеет проводимость 1,1 См / см. Однако поли (4,4-диоктилциклопентадитиофен), допированный DDQ, также имеет тенденцию снижать свою проводимость на воздухе. Полимер, допированный DDQ, имеет лучшую стабильность, чем полимер, допированный йодом, но стабильность все еще ниже, чем у PEDOT. Таким образом, поли (4,4-диоктилциклопентадитиофен) имеет худшие свойства по сравнению с PEDOT и PEDOT: PSS, которые необходимо улучшить для реалистичного применения.
Поли (4,4-диоктилциклопентадитиофен) представляет собой полимеризацию в растворе путем объединения мономера с хлоридом железа (III). После завершения полимеризации легирование осуществляется путем воздействия на полимер паров йода или раствора DDQ.
Углеродные нанотрубки
Преимущества
Прозрачные проводники хрупкие и склонны к разрушению из-за переутомления. Наиболее часто используемый TCO - это оксид индия-олова (ITO) из-за его хороших электрических свойств и простоты изготовления. Однако эти тонкие пленки обычно хрупкие, и такие проблемы, как несоответствие решеток и ограничения напряжения-деформации, приводят к ограничениям в возможных применениях TCF. Было показано, что ITO со временем разрушается под действием механических нагрузок. Недавнее повышение стоимости также заставляет многих рассматривать пленки из углеродных нанотрубок как потенциальную альтернативу.
Углеродные нанотрубки (УНТ) привлекли большое внимание благодаря свойствам материалов, включая высокий модуль упругости ( 1-2 ТПа), высокую прочность на разрыв ( 13-53 ГПа) и высокую проводимость. (металлические трубки теоретически могут пропускать электрический ток 4 × 10 А / см, что в 1000 раз выше, чем для других металлов, таких как медь ). Тонкие пленки CNT использовались в качестве прозрачных электродов в TCF из-за этих хороших электронных свойств.
Получение тонких пленок УНТ
Рис. 3. УНТ различного диаметра, разделенные в центрифужной пробирке. Каждый отдельный диаметр приводит к разному цвету.
Подготовка тонких пленок CNT для TCF состоит из трех этапов: процесс роста CNT, перевод УНТ в раствор и, наконец, создание Тонкая пленка CNT. Нанотрубки можно выращивать с использованием лазерной абляции, электродугового разряда или различных форм химического осаждения из паровой фазы (таких как PECVD). Однако нанотрубки выращиваются массово, причем нанотрубки разной хиральности слипаются вместе из-за притяжения Ван-дер-Ваальса. Ультрацентрифугирование в градиенте плотности (DGU) недавно было использовано, чтобы избавиться от этой проблемы. С помощью ДГУ были построены прозрачные проводники с использованием только металлических трубок. Поскольку DGU допускает разделение по плотности, были выбраны трубки с аналогичными оптическими свойствами (из-за одинакового диаметра), которые использовались для изготовления проводящих пленок CNT разных цветов.
Для разделения выращенных пробирок УНТ смешивают с поверхностно-активным веществом и водой и обрабатывают ультразвуком до тех пор, пока не произойдет удовлетворительное разделение. Затем этот раствор распыляют на желаемую подложку, чтобы создать тонкую пленку УНТ. Затем пленку ополаскивают водой, чтобы избавиться от излишков поверхностно-активного вещества.
Один метод напыления, используемый для создания пленки УНТ, представляет собой ультразвуковое сопло для распыления УНТ в растворе с образованием слоев PEDOT.
За счет оптимизации параметров распыления, включая поверхностно-активное вещество, размер капель (определяется частотой ультразвукового сопла) и скорость потока раствора, характеристики сопротивления листа могут быть настроены. Благодаря ультразвуковой вибрации самого сопла этот метод также обеспечивает дополнительный уровень обработки ультразвуком во время процесса распыления для дополнительного отделения агломерированных УНТ.
Сравнение УНТ с ППО
УНТ также можно использовать в дополнение к прозрачным проводящим оксидам (ППО) в тонкопленочных фотоэлектрических устройствах. Часто используются два TCO: ZnO / Al и In 2O3/ Sn оксид индия и олова (ITO). Фотоэлектрические устройства, изготовленные с использованием этих TCO, достигли эффективности преобразования энергии 19,5% в солнечных элементах на основе CuIn 1 − x GaxSe2(CIGS ) и 16,5% в CdTe - на основе солнечных батарей. Эти фотоэлектрические устройства имели гораздо более высокий КПД по сравнению с устройствами, изготовленными из тонких пленок УНТ: Britz et al. сообщить об эффективности 8% при напряжении холостого хода (V oc) 0,676 В, потоке короткого замыкания (J sc) 23,9 мА / см и коэффициенте заполнения 45,48%. Однако тонкие пленки УНТ демонстрируют много преимуществ перед другими прозрачными электродами в ИК-диапазоне. Сообщалось, что тонкие пленки УНТ имеют коэффициент пропускания более 90% в этом диапазоне (400 нм - 22 мкм). Это открывает путь для новых применений, указывая на то, что тонкие пленки УНТ могут быть использованы в качестве рассеивателей тепла в солнечных элементах из-за такого высокого коэффициента пропускания.
Как указывалось ранее, хиральность нанотрубок важна для определения ее потенциальной помощи этим устройствам. Прежде чем может начаться массовое производство, необходимы дополнительные исследования для изучения значения диаметра трубки и хиральности для прозрачных проводящих пленок в фотоэлектрических приложениях. Ожидается, что проводимость тонких пленок ОСНТ будет увеличиваться с увеличением длины и чистоты УНТ. Как указывалось ранее, пленки УНТ изготавливаются с использованием беспорядочно ориентированных пучков УНТ. Заказ этих трубок также должен повысить проводимость, поскольку это минимизирует потери на рассеяние и улучшит контакт между нанотрубками.
Проводящие сети из нанопроволок и металлическая сетка в качестве гибких прозрачных электродов
Рис. 4. Схема прозрачных проводящих электродов на основе металлических сетей. Электрический перенос происходит через просачивающуюся металлическую сеть, а оптическое пропускание происходит через пустоты. Источник: Диссертация Анкуша Кумара (JNCASR).
Беспорядочно проводящие сети из проводов или металлических сеток
, полученные из шаблонов, представляют собой прозрачные электроды нового поколения. В этих электродах нанопроволока или металлическая сетка являются собирателем заряда, а пустоты между ними прозрачны для света. Их получают путем осаждения серебряных или медных нанопроволок или путем осаждения металлов в шаблоны, такие как иерархические структуры случайных трещин, жилкование листьев и границы зерен и т. Д. Эти металлические сетки могут быть изготовлены на гибких подложках и могут действовать как гибкие прозрачные электроды. Для лучшей производительности этих электродов на основе проводящей сети, оптимизированная плотность нанопроволок должна использоваться в качестве избыточной плотности, что приводит к теневым потерям в солнечных элементах, в то время как более низкая плотность проводов приводит к более высокому сопротивлению слоя и большим рекомбинационным потерям носителей заряда. генерируется в солнечных элементах.
Ссылки
Контакты: mail@wikibrief.org
Последняя правка сделана 2021-06-04 08:34:45
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Исследования материалов прозрачных проводящих пленок начались с металлических тонких пленок таких металлов, как золото со свойствами прозрачности в видимой области спектра. Позже выяснилось, что оксидные тонкие пленки показали стабильность характеристик электрической проводимости и оптической передачи. Интерес к этим прозрачным проводникам можно проследить с XX века, когда появились доклады о пленках СсЮ впервые. С тех пор наблюдается стабильно растущий интерес к этим материалам с уникальными свойствами.
Хорошо известно, что нестехиометрические и легированные пленки оксидов на основе олова, индия, кадмия, галлия, меди и цинка и их смесей обладают высоким пропусканием света и проводимостью. Это открытие привлекло большое количество ученых к направлению исследования прозрачных проводящих оксидных (transparent conductive coatings - ТСО) пленок.
За последнее десятилетие применение прозрачных проводящих пленок стремительными темпами растет. Они используются в целом ряде продуктов, которые мы видим вокруг нас и используем каждый день. Некоторые из этих продуктов включают дисплейные электроды для тонких органических электролюминесцентных телевизоров, жидкокристаллических, плазменных и мониторов с сенсорным экраном для банкоматов, билетных машин, установленных на железнодорожных станциях, автомобильных навигационных систем, портативных игровых приставок и мобильных телефонов. Прозрачные проводящие пленки также используются для электродов в солнечных элементах, которые готовы появиться на рынке в ближайшем будущем.
Области применения
Прозрачные проводящие полимеры используются в качестве электродов в светоизлучающих диодах и фотоэлектрических устройствах. Они имеют проводимость ниже, чем у прозрачных проводящих оксидов, но имеют низкое поглощение видимого спектра, что позволяет им действовать как прозрачный проводник на этих устройствах. Однако, поскольку прозрачные проводящие полимеры действительно поглощают часть видимого спектра и значительное количество среднего и ближнего ИК, они снижают эффективность фотоэлектрических устройств.
Прозрачные проводящие полимеры могут быть превращены в гибкие пленки, что делает их желательными несмотря на их более низкую проводимость. Это делает их полезными при разработке гибкой электроники, где традиционные прозрачные проводники не работают.
Поли (3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT)
Поли (3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT) имеет электропроводность примерно до 1000 См / см. Тонкие окисленные пленки PEDOT имеют ок. Поглощение 10% или менее в видимой области спектра и отличная стабильность. Однако ПЕДОТ нерастворим в воде, что затрудняет переработку и делает ее дорогостоящей.
Ширина запрещенной зоны PEDOT может варьироваться от 1,4 до 2,5 эВ путем изменения степени π-перекрытия вдоль основной цепи. Это может быть сделано путем добавления заместителей вдоль цепи, что приводит к стерическим взаимодействиям, предотвращающим π-перекрытие. Заместители также могут принимать или отдавать электроны, что изменяет электронный характер и, таким образом, изменяет ширину запрещенной зоны. Это позволяет формировать проводник с широкой запрещенной зоной, который прозрачен для видимого спектра.
PEDOT получают путем смешивания мономера EDT с окислителем, таким как FeCl 3. Окислитель действует как инициатор полимеризации. Исследования показали, что увеличение соотношения [FeCl 3 ] / [мономер] снижает растворимость PEDOT. Считается, что это является результатом повышенного сшивания в полимере, что затрудняет его растворение в растворителе.
Поли (3,4-этилендиокситиофен) PEDOT: поли (стиролсульфонат) PSS
Допирование PEDOT поли (стиролсульфонатом) может улучшить свойства по сравнению с немодифицированным PEDOT. Этот состав PEDOT: PSS стал лидером в производстве прозрачных проводящих полимеров. PEDOT: PSS растворяется в воде, что упрощает обработку. ПЕДОТ: ПСС имеет проводимость от 400 до 600 См / см, при этом пропускает 80% видимого света. Обработка на воздухе при 100 ° C в течение более 1000 часов приведет к минимальному изменению проводимости. Недавно сообщалось, что проводимость PEDOT: PSS может быть улучшена до более чем 4600 См / см.
PEDOT: PSS получают путем полимеризации мономера EDT в водном растворе PSS с использованием Na 2S2O8как окислитель. Затем на этот водный раствор наносят покрытие центрифугированием и сушат для получения пленки.
Поли (4,4-диоктилциклопентадитиофен)
Поли (4,4-диоктилциклопентадитиофен) может быть легирован йод или 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-бензохинон (DDQ) с образованием прозрачного проводника. Легированный полимер имеет низкое поглощение в видимой области спектра с полосой поглощения с центром около 1050 нм. При легировании йодом может быть достигнута проводимость 0,35 См / см. Однако йод имеет тенденцию диффундировать в воздух, что делает поли (4,4-диоктилциклопентадитиофен), допированный йодом, нестабильным.
Сам DDQ имеет проводимость 1,1 См / см. Однако поли (4,4-диоктилциклопентадитиофен), допированный DDQ, также имеет тенденцию снижать свою проводимость на воздухе. Полимер, допированный DDQ, имеет лучшую стабильность, чем полимер, допированный йодом, но стабильность все еще ниже, чем у PEDOT. Таким образом, поли (4,4-диоктилциклопентадитиофен) имеет худшие свойства по сравнению с PEDOT и PEDOT: PSS, которые необходимо улучшить для реалистичного применения.
Поли (4,4-диоктилциклопентадитиофен) представляет собой полимеризацию в растворе путем объединения мономера с хлоридом железа (III). После завершения полимеризации легирование осуществляется путем воздействия на полимер паров йода или раствора DDQ.
Углеродные нанотрубки
Преимущества
Прозрачные проводники хрупкие и склонны к разрушению из-за переутомления. Наиболее часто используемый TCO - это оксид индия-олова (ITO) из-за его хороших электрических свойств и простоты изготовления. Однако эти тонкие пленки обычно хрупкие, и такие проблемы, как несоответствие решеток и ограничения напряжения-деформации, приводят к ограничениям в возможных применениях TCF. Было показано, что ITO со временем разрушается под действием механических нагрузок. Недавнее повышение стоимости также заставляет многих рассматривать пленки из углеродных нанотрубок как потенциальную альтернативу.
Углеродные нанотрубки (УНТ) привлекли большое внимание благодаря свойствам материалов, включая высокий модуль упругости ( 1-2 ТПа), высокую прочность на разрыв ( 13-53 ГПа) и высокую проводимость. (металлические трубки теоретически могут пропускать электрический ток 4 × 10 А / см, что в 1000 раз выше, чем для других металлов, таких как медь ). Тонкие пленки CNT использовались в качестве прозрачных электродов в TCF из-за этих хороших электронных свойств.
Получение тонких пленок УНТ
Рис. 3. УНТ различного диаметра, разделенные в центрифужной пробирке. Каждый отдельный диаметр приводит к разному цвету.Подготовка тонких пленок CNT для TCF состоит из трех этапов: процесс роста CNT, перевод УНТ в раствор и, наконец, создание Тонкая пленка CNT. Нанотрубки можно выращивать с использованием лазерной абляции, электродугового разряда или различных форм химического осаждения из паровой фазы (таких как PECVD). Однако нанотрубки выращиваются массово, причем нанотрубки разной хиральности слипаются вместе из-за притяжения Ван-дер-Ваальса. Ультрацентрифугирование в градиенте плотности (DGU) недавно было использовано, чтобы избавиться от этой проблемы. С помощью ДГУ были построены прозрачные проводники с использованием только металлических трубок. Поскольку DGU допускает разделение по плотности, были выбраны трубки с аналогичными оптическими свойствами (из-за одинакового диаметра), которые использовались для изготовления проводящих пленок CNT разных цветов.
Для разделения выращенных пробирок УНТ смешивают с поверхностно-активным веществом и водой и обрабатывают ультразвуком до тех пор, пока не произойдет удовлетворительное разделение. Затем этот раствор распыляют на желаемую подложку, чтобы создать тонкую пленку УНТ. Затем пленку ополаскивают водой, чтобы избавиться от излишков поверхностно-активного вещества.
Один метод напыления, используемый для создания пленки УНТ, представляет собой ультразвуковое сопло для распыления УНТ в растворе с образованием слоев PEDOT.
За счет оптимизации параметров распыления, включая поверхностно-активное вещество, размер капель (определяется частотой ультразвукового сопла) и скорость потока раствора, характеристики сопротивления листа могут быть настроены. Благодаря ультразвуковой вибрации самого сопла этот метод также обеспечивает дополнительный уровень обработки ультразвуком во время процесса распыления для дополнительного отделения агломерированных УНТ.
Сравнение УНТ с ППО
УНТ также можно использовать в дополнение к прозрачным проводящим оксидам (ППО) в тонкопленочных фотоэлектрических устройствах. Часто используются два TCO: ZnO / Al и In 2O3/ Sn оксид индия и олова (ITO). Фотоэлектрические устройства, изготовленные с использованием этих TCO, достигли эффективности преобразования энергии 19,5% в солнечных элементах на основе CuIn 1 − x GaxSe2(CIGS ) и 16,5% в CdTe - на основе солнечных батарей. Эти фотоэлектрические устройства имели гораздо более высокий КПД по сравнению с устройствами, изготовленными из тонких пленок УНТ: Britz et al. сообщить об эффективности 8% при напряжении холостого хода (V oc) 0,676 В, потоке короткого замыкания (J sc) 23,9 мА / см и коэффициенте заполнения 45,48%. Однако тонкие пленки УНТ демонстрируют много преимуществ перед другими прозрачными электродами в ИК-диапазоне. Сообщалось, что тонкие пленки УНТ имеют коэффициент пропускания более 90% в этом диапазоне (400 нм - 22 мкм). Это открывает путь для новых применений, указывая на то, что тонкие пленки УНТ могут быть использованы в качестве рассеивателей тепла в солнечных элементах из-за такого высокого коэффициента пропускания.
Как указывалось ранее, хиральность нанотрубок важна для определения ее потенциальной помощи этим устройствам. Прежде чем может начаться массовое производство, необходимы дополнительные исследования для изучения значения диаметра трубки и хиральности для прозрачных проводящих пленок в фотоэлектрических приложениях. Ожидается, что проводимость тонких пленок ОСНТ будет увеличиваться с увеличением длины и чистоты УНТ. Как указывалось ранее, пленки УНТ изготавливаются с использованием беспорядочно ориентированных пучков УНТ. Заказ этих трубок также должен повысить проводимость, поскольку это минимизирует потери на рассеяние и улучшит контакт между нанотрубками.
Проводящие сети из нанопроволок и металлическая сетка в качестве гибких прозрачных электродов
Рис. 4. Схема прозрачных проводящих электродов на основе металлических сетей. Электрический перенос происходит через просачивающуюся металлическую сеть, а оптическое пропускание происходит через пустоты. Источник: Диссертация Анкуша Кумара (JNCASR).Беспорядочно проводящие сети из проводов или металлических сеток
, полученные из шаблонов, представляют собой прозрачные электроды нового поколения. В этих электродах нанопроволока или металлическая сетка являются собирателем заряда, а пустоты между ними прозрачны для света. Их получают путем осаждения серебряных или медных нанопроволок или путем осаждения металлов в шаблоны, такие как иерархические структуры случайных трещин, жилкование листьев и границы зерен и т. Д. Эти металлические сетки могут быть изготовлены на гибких подложках и могут действовать как гибкие прозрачные электроды. Для лучшей производительности этих электродов на основе проводящей сети, оптимизированная плотность нанопроволок должна использоваться в качестве избыточной плотности, что приводит к теневым потерям в солнечных элементах, в то время как более низкая плотность проводов приводит к более высокому сопротивлению слоя и большим рекомбинационным потерям носителей заряда. генерируется в солнечных элементах.
Ссылки
Контакты: mail@wikibrief.org
Последняя правка сделана 2021-06-04 08:34:45
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Исследования материалов прозрачных проводящих пленок начались с металлических тонких пленок таких металлов, как золото со свойствами прозрачности в видимой области спектра. Позже выяснилось, что оксидные тонкие пленки показали стабильность характеристик электрической проводимости и оптической передачи. Интерес к этим прозрачным проводникам можно проследить с XX века, когда появились доклады о пленках СсЮ впервые. С тех пор наблюдается стабильно растущий интерес к этим материалам с уникальными свойствами.
Хорошо известно, что нестехиометрические и легированные пленки оксидов на основе олова, индия, кадмия, галлия, меди и цинка и их смесей обладают высоким пропусканием света и проводимостью. Это открытие привлекло большое количество ученых к направлению исследования прозрачных проводящих оксидных (transparent conductive coatings - ТСО) пленок.
За последнее десятилетие применение прозрачных проводящих пленок стремительными темпами растет. Они используются в целом ряде продуктов, которые мы видим вокруг нас и используем каждый день. Некоторые из этих продуктов включают дисплейные электроды для тонких органических электролюминесцентных телевизоров, жидкокристаллических, плазменных и мониторов с сенсорным экраном для банкоматов, билетных машин, установленных на железнодорожных станциях, автомобильных навигационных систем, портативных игровых приставок и мобильных телефонов. Прозрачные проводящие пленки также используются для электродов в солнечных элементах, которые готовы появиться на рынке в ближайшем будущем.