石墨烯在透明電極領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

石墨烯在透明電極領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

作為光電器件中的核心部件，透明電極在發(fā)光二極管（LED）、液晶顯示器（LCD）及有機(jī)太陽(yáng)能電池等方面應(yīng)用十分廣泛，通常要求其在550nm下可視光源穿透率在80%以上，面阻抗為1000Ω/sq以下或者滿(mǎn)足1000S/m的電導(dǎo)率。
透明電極應(yīng)用在多個(gè)方面，包括觸摸屏，太陽(yáng)能電池，智能窗戶(hù)玻璃，液晶顯示器，有機(jī)發(fā)光二極管等。隨著各行各業(yè)的迅勐發(fā)展，透明電極的性能也面臨著越來(lái)越高的挑戰(zhàn)，既要求高透光率，同時(shí)還要求低電阻。與此同時(shí)，對(duì)于材料本身的機(jī)械強(qiáng)度、耐化學(xué)性、耐熱性以及功函數(shù)都有極高的要求。而石墨烯作為優(yōu)良的導(dǎo)電材料，其綜合性能恰能應(yīng)電子行業(yè)發(fā)展的需求。因此，其在透明電極領(lǐng)域的應(yīng)用必然具有廣闊的發(fā)展前景。
1石墨烯概述
英國(guó)科學(xué)家在2004年利用簡(jiǎn)單的膠帶微機(jī)械剝離的方法，成功的由石墨獲得了完美的單層石墨烯，并且測(cè)試出優(yōu)異的電學(xué)性能。

二維六角蜂窩狀晶格這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使石墨烯具有擁有室溫量子霍爾效應(yīng)特性。之所以將石墨烯稱(chēng)為優(yōu)秀的導(dǎo)電材料，一方面，是由于它的導(dǎo)電率達(dá)到了106s/m，這種新型的二維碳納米材料具有極快的電子傳輸速度，甚至可以達(dá)到光速的三百分之一，這種速度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他半導(dǎo)體材料的。與此同時(shí)，石墨烯還具有高出半導(dǎo)體硅一百倍的遷移率，高達(dá)2×105cm2/V·s。

2石墨烯在透明電極中的應(yīng)用現(xiàn)狀
石墨烯作為典型的碳家族材料，具有超高的電子電導(dǎo)率、理想的電容儲(chǔ)能和對(duì)光透明的特性，在構(gòu)筑高性能透明導(dǎo)電薄膜（TCE）和柔性透明超級(jí)電容方面等方面具有很大潛力。
2.1在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用
2009年，Li等研發(fā)了一種新型的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用石墨烯作為電極的陽(yáng)極，并與硅半導(dǎo)體結(jié)合，形成了石墨烯-硅肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)圖，如下如圖3所示。在Si/SiO2基片上，覆蓋有一層很薄的石墨烯，并且在石墨烯薄膜上方，有約0.1-0.5cm2面積的硅層窗口，四周以金線(xiàn)作為柵。

近年來(lái)，在硅基太陽(yáng)能電池領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新型技術(shù)，即以聚三氟甲磺酸胺（TFSA）為摻雜劑對(duì)石墨烯進(jìn)行摻雜，該種電池就是將摻雜有TFSA的石墨烯轉(zhuǎn)移到Si底層上制備而成的，該技術(shù)使電池效率從1.9%上升到8.6%，從而大大提高了光電池的轉(zhuǎn)換效率。
后來(lái)，Enzheng Shi等以二氧化鈦?zhàn)鳛榭狗瓷渫繉觼?lái)使電池達(dá)到減少光反射，增強(qiáng)光吸收的效果，進(jìn)而將光電轉(zhuǎn)換效率提高至14.1%。盡管如此，但與傳統(tǒng)的ITO相比，其效率仍有差距。

2.2在顯示器中的應(yīng)用

目前市面上液晶顯示器中常用的ITO，其透過(guò)率在90%左右。與之相比，單層石墨烯的優(yōu)勢(shì)在于低至2.3%的可見(jiàn)光吸收度，其透明度比于ITO的90%高出7.7%。雖然透過(guò)率7.7%的提升給人的視覺(jué)不會(huì)帶來(lái)較大影響，但由于上述提到的ITO的局限性，也使得石墨烯在透明電極領(lǐng)域的發(fā)展成為可能。
Peter Blake等人成功制備石墨烯作為透明電極的液晶顯示器，首先使用機(jī)械剝離法在玻璃片上制備石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜周?chē)鷩娡?m m鉻和50nm銅，再依次在表面添加40nm取向膜、20μm液晶、40nm取向膜、ITO以及玻璃片。添加電場(chǎng)橫穿液晶層打亂其排列，從而改變顯示器的有效雙折射和光傳輸強(qiáng)度。最強(qiáng)和最弱輸出光的對(duì)比度大于100。此研究結(jié)果也為石墨烯應(yīng)用于液晶顯示器的研究提供了基礎(chǔ)。
2.3在觸摸屏中的應(yīng)用
石墨烯在觸屏領(lǐng)域的應(yīng)用研究國(guó)家有中日韓英美等國(guó)家。在歐美地區(qū)，以美國(guó)的輝銳科技為代表，已經(jīng)進(jìn)軍大面積石墨烯柔性版觸控屏市場(chǎng)，并計(jì)劃未來(lái)3年內(nèi)應(yīng)用于手機(jī)、平板以及便攜設(shè)備顯示屏等。在韓國(guó)，石墨烯的應(yīng)用研究也受到了政府的高度重視。2010年，韓國(guó)著名的三星集團(tuán)與國(guó)內(nèi)某一科研院所的研究人員合作，成功的以63mm的柔性透明玻璃纖維聚酯板為基材，研制出純石墨烯，其大小近似于電視機(jī)，柔性觸屏也在此基礎(chǔ)上成功的問(wèn)世。在日本，產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所發(fā)布了以卷對(duì)卷方式合成寬度為594mm的石墨烯薄膜裝置。該研究所采用以微波等離子技術(shù)，利用300-400℃的低溫CVD法合成石墨烯的方法；此外，東芝和松下也先后制備了大面積石墨烯薄膜和厚度只有10μm的石墨烯散熱膜。在我國(guó)，常州二維碳素研發(fā)團(tuán)隊(duì)突破了石墨烯薄膜應(yīng)用于中小尺寸手機(jī)的觸摸工藝，實(shí)現(xiàn)了薄膜材料



和ITO模組工藝線(xiàn)的對(duì)接。業(yè)內(nèi)專(zhuān)家表示，如果實(shí)現(xiàn)了石墨烯薄膜工藝線(xiàn)與現(xiàn)有ITO模組工藝線(xiàn)對(duì)接，必將加速實(shí)現(xiàn)石墨烯薄膜材料在觸控顯示領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化。



2.4在OLED中的應(yīng)用



Tae–Hee Han等人用化學(xué)氣相沉積法與AuCl3摻雜相結(jié)合的方法，制得高性能的CVD石墨烯，其性能可以與ITO相媲美。通過(guò)摻雜，石墨烯表面的電阻率有明顯的降低，同時(shí)工作能也由4.4eV上升到5.95eV，從而解決了石墨烯與有機(jī)半導(dǎo)體膜層之間的孔穴注入障礙[。通過(guò)陽(yáng)離子刻蝕，對(duì)石墨烯進(jìn)行圖案化處理，而后在表面蒸鍍有機(jī)半導(dǎo)體膜層以及金屬電極，成功制備OLED。該研究也使得石墨烯在柔性O(shè)LED領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。



ZDNet、韓國(guó)先驅(qū)報(bào)（Korea Herald）2017年4月11日?qǐng)?bào)導(dǎo)，韓國(guó)電子通訊研究院跟Hanwha Techwin合作，以石墨烯制作厚度不到5奈米的透明電極，開(kāi)發(fā)出一款370mm×470mm（相當(dāng)于19吋屏幕）的OLED面板，為業(yè)界首見(jiàn)。這也使得石墨烯透明電極在有機(jī)發(fā)光領(lǐng)域的推廣成為可能。



3結(jié)論



隨著電子行業(yè)的迅速發(fā)展及全球能源危機(jī)的不斷加重，石墨烯導(dǎo)電材料的研究和開(kāi)發(fā)具有重要意義。近年來(lái)，石墨烯在透明電極中的研究和使用取得了很大的進(jìn)展，但也存在著不足：（1）對(duì)材料的微觀理論認(rèn)識(shí)不夠，導(dǎo)致理論值和實(shí)際值不相符；（2）采用化學(xué)方法制備透明材料時(shí)，受基底和反應(yīng)條件的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯的高度還原；（3）材料的制備方法不夠完善，制備成本過(guò)高；（4）以PET為基材制備復(fù)合材料時(shí)，其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保型有待探討。因此，距離實(shí)現(xiàn)石墨烯在該領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化，還有很長(zhǎng)的路要走。



未來(lái)，在石墨烯導(dǎo)電材料在透明電極中的研究，以下幾點(diǎn)將成為研究重點(diǎn)：（1）如何改善柔性基底材料，一方面解決環(huán)保問(wèn)題，另一方面對(duì)降低因基底性能對(duì)還原條件的限制，提高氧化石墨烯的還原比例；（2）如何減低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率；（3）如何提高石墨烯導(dǎo)電材料的柔性。

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