ATO纳米颗粒分散液的制备及在电致变色器件中的应用

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近些年来随着薄膜太阳能电池、发光二极管、平板显示器、触摸屏、电致变色等光电器件的迅速发展,透明导电电极作为一种重要元件而得到广泛的应用。透明导电电极的制备方法按成膜过程特点主要分为气相沉积和化学液相沉积两类方法。化学液相沉积因具有设备简单、操作简便、节约材料、可在复杂表面沉积及可实现图案化等优点,被广泛应用于各类透明导电薄膜的制备中。化学溶液沉积法制备透明导电薄膜依赖于尺寸较小、粒径均匀且高度分散的透明导电氧化物纳米颗粒分散液。高质量分散液的制备主要通过聚合物或者长链碳有机分子配体的空间位阻效应实现,而长链分子在后续的薄膜退火步骤中较难去除,将损害薄膜的性能。本文提出利用具有小分子胺为有机分子配体分散ATO纳米颗粒,以获得均匀的、透明的高质量分散液。主要研究内容包括以下几方面:1、分别采用丙胺(PA)、乙二胺(EDA)、单乙醇胺(MEA)、三乙胺(TEA)作为配体分子协助ATO纳米颗粒在水中的分散。当不加入任何胺时,ATO纳米颗粒很快即形成沉淀,使分散液变澄清。而加入上述胺后,可立刻获得透明、均匀的ATO纳米颗粒分散液。其中以MEA为例,对于不同Sb掺杂比例的ATO纳米颗粒(Sb比例为5~20 at.%)均具有良好的分散效果。研究结果表明,Sb掺杂浓度的提高有利于ATO纳米颗粒的分散。如,Sn O2分散液中二次粒子的尺寸分布在12~84 nm范围内,平均粒径约34 nm,当掺杂比例为15%时,尺寸分布范围减小为9~55 nm,平均粒径仅有21 nm。2、采用理论计算与实验表征相结合的方法研究了小分子胺与ATO纳米颗粒表面的相互作用机制。通过密度泛函理论计算研究了所选胺分子在ATO(110)表面的吸附。计算结果表明,丙胺、乙醇胺和乙二胺分子的氮原子与ATO表面的Sb位点形成强化学吸附作用,键长约为2.23?。由于三乙胺分子具有较大的位阻作用,形成的N-Sb键拉长为2.66?。计算所得的吸附能数据表明,Sb掺杂有利于提高吸附能,与实验所得结果趋势一致。此外,XPS和NMR测试也分别从实验角度证实了胺与ATO表面的化学吸附情况,即胺分子倾向于与ATO表面的Sb位点形成强烈的吸附作用。ATO纳米颗粒在吸附胺后其表面电荷密度增大,使ATO纳米颗粒间产生强烈的排斥作用,最终实现了其快速、有效的分散效果。以MEA分散的ATO纳米颗粒悬浮液为例,采用旋涂法制备了ATO薄膜,并将其作为透明电极制备电致变色器件。所制备的ATO透明导电薄膜表现出优异的性能,如在550 nm标准波长下,10%Sb掺杂的ATO薄膜的透光率达80.6%,,而薄膜面电阻低至492Ω/sq。所制备的WO3/ATO电致变色器件在着色和褪色时的色差达50%,具有良好的循环性能。研究结果表明采用本方法在ATO薄膜的制备和应用领域具有广阔的前景。
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