柔性透明電極
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-13
柔性透明電極的實例教程
基于銅的柔性透明電極因其價格低廉、性能優異，在柔性電子領域具有廣闊的應用前景。已報道的銅基柔性透明電極主要是基于銅納米線網絡和銅網格的透明電極，在實際應用中面臨兩個主要難題：一是制備過程比較復雜，不利于大規模生產；二是微納尺度的銅極易被氧化，降低材料的導電性能。這些問題極大地限制了銅基透明電極的進一步應用。
近日，中國科學院院士、中國科學院理化技術研究所研究員江雷團隊與蘭州大學教授柳明珠合作，報道了一種具有高穩定性和優異光電性能的銅網格柔性透明電極。該工作通過限域化學沉積的方法制備了形貌可控的銅網格，通過調控離子液體的化學結構和銅網格的微觀形貌實現了離子液體在銅網格上的超浸潤，進一步通過原位聚合法成功在銅網格表面引入均一的納米離子凝膠層，設計構筑了具有優異光電性能和出色穩定性的離子凝膠復合銅網格柔性透明電極。這種新型的離子凝膠復合銅網格柔性透明電極制備過程簡單，無需復雜的濺射過程，同時材料的柔性、化學穩定性和與基底的結合力等性能均得到提高，有望替代傳統的ITO電極，應用于柔性電子領域。
高性能離子凝膠復合銅網格柔性透明電極的設計
相關研究成果發表在ACS Applied Materials & Interfaces（2018, 10, 29010-29018）上。論文通訊作者是理化所劉洪亮、江雷和蘭州大學柳明珠，論文第一作者是蘭州大學博士生常麗和理化所副研究員張錫奇。相關工作得到國家自然科學基金、中科院重點研究項目、中科院青年創新促進協會等的大力支持。
全文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021%2FACSAMI.8B09023
來源：中科院理化所
展開 近日，中科院化學所的宋延林研究員、喬雅麗研究員團隊開發了一種基于二維氣泡模板自組裝方法制備的透明銀網格電極，并實現高效柔性鈣鈦礦太陽能電池的制備。研究發現, 通過氣泡自組裝方法制備銀透明電極，可以實現銀納米粒子自下而上的緊密堆積與高效利用。半突起的銀網格結構通過擴散控制生長促進鈣鈦礦的均勻成核。同時，包埋的銀網格結構作為定域化的載流子傳輸通道提升了光生載流子的分離效率。他們采用這種透明電極，成功制備了柔性鈣鈦礦太陽能電池器件。在AM 1.5光照下光電轉換效率達到18.49%。相較于使用傳統ITO/PET電極的器件PCE提升了20%。這種半包埋柔性透明電極的研發有望推動柔性光伏器件的進一步發展。
有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率已經突破了25%，引起學術界與工業界極大的關注。但是柔性器件效率始終低于剛性器件，是一個亟待解決的關鍵問題。為了提高柔性器件的效率，近年來的許多研究著重在新型透明電極的開發。與傳統ITO/PET電極光透過率差、方阻高相比，金屬納米結構作為透明電極能夠具備高導電性與光透過率，但是其較大的粗糙度影響了電荷傳輸的效率與器件的穩定性。因此，發展新的方法構筑有序可控的金屬納米結構，在提高導電性與光透過率的同時不損失電荷在界面處傳輸的效率，將是提升柔性鈣鈦礦太陽能電池效率的有效途徑。
本文要點
要點一：利用氣泡模板法組裝并轉印的透明銀網格兼具低方阻、高透光、低粗糙度等特點。
展開 蘇州大學李永舫院士團隊的李耀文教授等人利用銀納米線對導電聚合物的組分進行調控，并與銀網格柔性基底復合制備了低面電阻、高透過率的新型柔性復合電極，基于此電極的柔性有機太陽能電池效率超過12%。近日，該成果以“Breaking 12% efficiency in flexible organic solar cells by using a composite electrode”為題，在線發表于Science China Chemistry。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s11426-018-9430-8
有機太陽能電池(OSCs)活性層材料的可彎曲特性使其在柔性太陽能電池領域展現出了巨大的應用潛力。然而，商業化的銦錫氧化物（ITO）柔性電極由于易脆性、面電阻高、透過率低等缺點限制了其在柔性有機太陽能電池中的應用。為了解決這一問題，發展具有優良機械彎曲性、低面電阻、高透過率的新型柔性透明電極顯得尤為重要。
基于銀納米線（AgNWs）的導電薄膜不僅具有優良的機械性能，而且其光學和電學性能優異，成為極具應用前景的柔性透明電極材料。但是，粗糙度大、附著力弱，形貌不穩定等缺點依然限制了其在高性能柔性有機太陽能電池中的應用。
展開 文章從結構設計的角度介紹了基于剪紙藝術設計策略的新型可拉伸透明電極材料的最新研究進展及應用，涵蓋了電子皮膚、植入式可降解電子材料以及仿生軟體機器人等領域。
柔性電子學作為一種新興的具有廣闊應用前景的研究科學，將研制可在高應力狀態下工作的高性能柔性電子材料帶入了人們的視野。透明電極被廣泛應用于各類電子產品中。最常見的透明電極材料是摻雜的氧化物半導體薄膜（如氧化銦錫，ITO），其良好的光學透光率和導電性使其在光電子顯示領域占據了數十年的主導地位。然而，傳統的ITO薄膜無法滿足未來可穿戴柔性電子產品對力學柔性要求。應用于彈性體襯底上的透明柔性電極（FTEs）在使用過程中需要承受彎曲、折疊、扭曲，甚至拉伸等大應變形變模式，對材料的力學性能提出了更高的要求。
近年來，可拉伸電極的研究發展推動了可穿戴電子產品、電子皮膚、可植入醫療電子設備、軟體機器人、以及新型柔性人機界面等領域的興起。這些具有良好力學柔性和生物相容性的電子產品在人體健康監測和生物醫療領域中發揮著越來越重要的作用，并將極大改善現有的醫療健康體系并徹底改變人類與電子產品之間的關系。研究人員研制報道的各類仿生軟體機器人具有類似皮膚的柔性傳感功能和類似肌肉組織的軟體驅動器，可通過柔性人機界面與人類和周圍環境進行友好的實時互動，從而實現完整的“人-機”互動反饋體系（圖1）。隨著可穿戴和可植入式電子設備的出現，以及對智能軟體機器人不斷增長的需求，學術界和工業界已將目光投向了研制開發同時具有優異力學柔性和電學特性的功能電子材料，而可拉伸電極材料是基礎關鍵。
圖1 柔性電極、柔性電子設備和軟體機器人之間關系的示意圖
文章系統比較了不同電極材料的光電性能和力學性能，并對常用電極材料的優缺點進行了評述。
展開 基于納米線組裝體的柔性電子設備表現出優異的性能的原因主要來自四個方面: 1）有序的納米線組裝體的相互連接更加均勻充分，導電性能更加優異；2）有序的納米線組裝體具有更好的均勻性，因此其表現出來的性能不會因為測試點不同而不同，例如，具有設計的NW結構的柔性透明智能窗的均勻性遠遠高于噴涂法常規的無序的NW膜；3）基于有序納米線組裝體的柔性電子器件的性能更加容易調節和控制例如，我們知道電導率和透射率是柔性透明電極的兩個相反因素。通過操縱Ag和Te NWs的組裝，我們可以精確地調整和平衡所得柔性透明電極的透光率和電導率；4）將多種納米線有序的共組裝可以使不同納米線更好的接觸，因此可以更有效的制備柔性電子器件。
基于以上討論的概述，作者提出了對這一新興的柔性電子產品NW組裝研究領域的觀點。首先，基于納米線組裝體的柔性電子器件的批量制備需要消耗大量的納米線，，但是大規模生產NWs及其精確控制NWs的尺寸仍然是這個領域的一個重要挑戰。此外，必須關注在NW合成過程中產生的有毒廢棄產物以及高價值化學介質的回收問題。
第二，需要發展更多經濟、高效和簡單易行的納米線組裝技術。例如，通過對NW的表面進行修飾我們可以優化NW的表面性質，例如潤濕性和分散性，實現它們與其他功能材料的復合，用于具有特殊應用的柔性電子器件的制備。此外，還可以通過引入新技術如3D打印技術和仿生技術來實現新穎的納米線組長提的制備。最后，發展原位表征技術和理論模擬來獲得NW組裝機制對于理解納米線組裝過程和組裝結構的調控也是非常重的。我們相信，所有這些挑戰和機遇都可以在未來的努力中得到解決，我們可以預料在未來會出現更可靠、高效的基于NW-組裝體的柔性電子設備。
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柔性光電器件(Flexible and optical electronics, FOEs)是一項多學科高度融合的技術，能夠突破傳統電子器件應用場景的限制，能夠在伸縮，扭轉、彎折等動態運動場景下展現出前所未有的功能特性和適應性，為仿生、柔性傳感、柔性儲能、柔性顯示等領域帶來了巨大的發展機遇，為新時代器件集成、技術革新提供創新引領
由于柔性銀網格的低方阻、高透光等特點，基于該透明電極的柔性鈣鈦礦太陽能電池器件效率（18.49%）明顯高于基于傳統ITO/PET電極的器件（15.11%），并表現出更優的電荷傳輸性能。
由于化石燃料供應的不斷枯竭、環境污染和全球變暖的日益嚴重的影響，風能和太陽能等可再生能源的利用對于實現可持續發展至關重要。電化學儲能技術，特別是電池，是高效利用可再生能源不可缺少的技術。石墨陽極顯示出巨大的儲鉀潛力，但由于層間大量膨脹/收縮(即高達60%)引起的結構退化，其容量迅速衰減。 來自北京化工大學等單位的研究人員，采用Ti3C2TxMXene納米片作為快電子/鉀離子雙功能導體，構建了全集成
江雷院士：源于自然的仿生超浸潤界面材料
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仿皮膚型傳感材料在人體運動監測、醫療健康管理和人機交互等領域具有廣泛的應用潛力。近年來，基于離子型的傳感材料（比如離子導電的水凝膠和離子凝膠），因具有高拉伸性，靈敏度和透明性而備受關注。然而離子導電的水凝膠材料的環境穩定性較差，傳感性能隨所得水凝膠的脫水而降低。
近期，朱雨田教授課題組選用離子液體
隨著人類生活質量的快速提高，便攜式和可穿戴電子設備的發展變得越來越迫切。清潔高效的新型儲能設備是其核心部件。其中，柔性超級電容器(SCs)因其超高功率密度、長循環壽命、柔性、安全性和高效率而引起了最大的科學興趣。另一方面，過渡金屬氮化物（TMNs）被認為是高性能儲能器件的潛在電極材料。然而，電化學反應過程中的結構不穩定性嚴重阻礙了它們的廣泛應用。克服這一障礙的一般方法是在導電基底上制備納米復合材料
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自1992年起，微/納米中空結構的設計主要集中在球形、纖維、管狀、類項鏈和立方體等形狀。特別地，中空微/納花狀結構由于其高比表面積、低密度和高負載能力等優點受到了科研界和產業界更多的關注。但是，先前報道的中空花狀結構多是在靜電力或表面活性劑的輔助下由實心的無機納米片或納米棒自組裝制得。在循環測試過程中，無機中空花狀會發生結構變形或坍塌
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為了解決這一問題，發展具有優良機械彎曲性、低面電阻、高透過率的新型柔性透明電極顯得尤為重要。
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