高透明纸的制备及其在电子器件中的应用

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人类生活在一个充满电子器件的世界里。笔记本电脑、智能手机、太阳能电池、显示器、平板电脑等电子产品成为人类日常生活中不可或缺的一部分,并且呈现逐年增长的趋势。电子器件的不断增长会产生许多不可降解的塑料废弃物,破坏人类赖以生存的环境。为了实现人类社会的可持续发展,科学家开始寻找环境友好型的材料替代现有的塑料来制备“绿色”电子器件。透明纸基电子器件因具有较高的潜力实现规模化和可持续性生产“绿色”器件,成为科学界的一个研究热点。如何根据特定电子器件的性能要求制备出合适的透明纸并使其成为电子器件的功能组分对扩大透明纸在电子器件领域的应用具有重要意义。通过结构设计和纤维直径的控制制备出一种适用于触摸屏的新型双层结构的透明纸。该透明纸不仅具有优异的透明度和形稳性而且还展现出纳米级的表面粗糙度。通过未打浆处理的木材纤维和纳米纤丝化纤维素(NFC:Nanofibrillated cellulose)混合抄造,纸张的抄造效率和挺度得到显著提高,同时还保持了纸张的可书写性。通过涂布技术在该双层结构的透明纸平滑面涂布一层碳纳米管(CNT:Carbon nanotube),赋予透明纸优异的导电性,用该导电透明纸制备了第一个具有防眩功能的透明纸基触摸屏。采用TEMPO/NaClO/NaBr氧化体系预处理木浆,改变木浆的纤维形态和表面化学性能,通过造纸技术制备出一种适用于太阳能电池的新型高透明高雾度纸张。在550纳米波长的条件下,该纸张的透明度高达90%以上,雾度达到~60%。与常见的纳米纸相比,这种新型的透明纸具有更强的光散射性能和更高的抄造效率。将该高雾度高透明纸张应用于硅片作为反射层,有效降低硅片对可见光的反射,硅片对可见光的反射率下降幅度达到10~18%。采用膜转移技术将纳米银线(Ag NW: Silver Nanowires)交叉网络转移到具有双层结构的高雾度高透明纸的光滑表面,制备出一种具有高散射性能的纸基透明导电电极(TCE: Transparent Conducting Electrode)。这种TCE具有较好的柔韧性、环境兼容性以及优异的光电性能,其的透明度高达91%,表面电阻仅为13Ω/□,优值(FOM:Figure ofMerit)高达300,是目前通过溶液法制备的TCEs所测定的最高优值。通过各种检测技术深入研究了纸基透明电极的光散射性能,详细解释TCE的雾度和光散射角分布。建立光线光学模拟法用于预测TCE的光学性能对各种薄膜太阳能电池中吸收层对光线吸收性能的影响。结果表明透明纸基TCE对薄膜太阳能的光吸收能力增强作用强于氧化铟锡(ITO: Indium Tin Oxide)。将高雾度高透明纸作为光控组件应用于太阳能电池。将该透明纸分别黏附到有机太阳能电池和砷化镓(GaAs)太阳能电池表面,它们的光电转化效率分别提高10%和23.91%。透明纸较低的折射指数,粗糙的表面以及强烈的光散射效应是太阳能电池光电转化效率增强的主要原因。此外,高雾度高透明纸在可见光区可以有效的降低太阳能电池对光线的反射,同时减少太阳能电池对入射光线角度的依赖。通过化学和机械处理,实现对纤维形态和尺寸的可控制备,制备出光散射性能可控的高透明纸。将平均直径~27μm,平均长度~0.92mm的2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基(TEMPO:2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl radical)氧化纤维用于提高透明纸的雾度;将直径~30nm的纳米纤维素(NFC:Nanofibrillated Cellulose)用于降低透明纸的雾度。通过调节浆料中微米级纤维与纳米级纤维的比例,经过真空过滤制备出雾度在18%到60%,且透明度保持在90%以上的透明纸。将TEMPO氧化浆(TOWFs: TEMPO-oxidized Wood Fibers)沉积到柔性玻璃的表面,制备出具有优异的光散射性能和机械强度的柔性玻璃。TOWFs沉积的柔性玻璃雾度从小于1%提高到~56%,同时保持它的透光率不变。此外,TOWFs的纤维形态对柔性玻璃的光散射性能具有较大的影响。随着纤维的平均长度的下降,柔性玻璃的光散性能下降。高性能、廉价、可再生、可持续以及可大规模化生产的透明纸是一种能够影响新一代环境友好型电子器件的潜在革命性材料,必将在纸基透明电子器件领域占据一席之地。
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