石墨烯在透明電極領域的應用現狀

石墨烯在透明電極領（lǐng）域的應用現狀

作為光電器件中的核心部件，透明電極在發光二極管（LED）、液晶顯示器（LCD）及有機太陽能電（diàn）池等方麵應用十分廣泛，通常要（yào）求其在550nm下可視（shì）光源穿透率（lǜ）在80%以上（shàng），麵阻抗為1000Ω/sq以下或者滿足（zú）1000S/m的電導率（lǜ）。
透明電（diàn）極（jí）應用在多個方麵，包括觸摸屏，太陽能電池，智能窗戶玻璃，液晶（jīng）顯示器，有機發光二（èr）極管等。隨著各行各業的迅猛發展（zhǎn），透（tòu）明電極的性能也麵臨著越（yuè）來越高的挑戰，既要求高（gāo）透光率，同時還要求低電阻。與此同時，對於材料本（běn）身的機械強度（dù）、耐化學性、耐（nài）熱性以及功函數都有極高的要求。而石墨烯作為優良的導電材料，其綜合性能恰能應電子行業發展的需求。因此，其在透明電極領（lǐng）域的應用必然（rán）具有廣（guǎng）闊的發（fā）展前景。
1石墨烯概述
英國科學家在2004年利用簡單的膠帶微機械剝離的（de）方法，成功的由石墨獲得了完美的單（dān）層石墨烯，並且測試出優異的電學性能。

二維六角蜂窩狀晶格這種獨特的結構使石墨烯具有擁有（yǒu）室溫量子霍爾效（xiào）應特性。之所以將石墨烯稱為優秀的（de）導電（diàn）材料，一（yī）方麵，是由於它的（de）導電率達到了106s/m，這種新型（xíng）的二維碳納米材料具有極快的電子傳輸速（sù）度，甚至可以達（dá）到（dào）光速的三百分之一，這種速度是遠遠高於其他半導體材料的。與此同（tóng）時，石墨烯還具有高出半導（dǎo）體矽一百倍（bèi）的（de）遷（qiān）移率，高達2×105cm2/V·s。

2石墨（mò）烯在透明電極中的應用現狀
石（shí）墨烯作為典型的碳家族（zú）材料，具有超高的電（diàn）子電導率、理想的電容儲能（néng）和（hé）對光透明的特性，在構築高性能（néng）透明導電薄膜（TCE）和柔（róu）性透明超級電容方麵等方麵具有（yǒu）很大潛（qián）力。
2.1在太陽能電（diàn）池中的應用
2009年，Li等研（yán）發了一種新型的太陽能電（diàn）池（chí）結構，該結構采用石墨（mò）烯作（zuò）為電極（jí）的陽極，並與矽（guī）半導體結合，形成了石墨烯-矽肖特基結太陽能電池結構，其具體結構圖，如下如圖3所示。在Si/SiO2基片上，覆蓋有一層（céng）很薄的石墨烯，並且在石墨烯薄膜上方（fāng），有約0.1-0.5cm2麵積的矽層窗（chuāng）口，四周以金線作為柵。

近年來，在矽基太陽能電池領域出現了一種新型技（jì）術，即以聚三氟甲磺酸（suān）胺（TFSA）為摻雜劑對石墨烯進行摻雜（zá），該種（zhǒng）電（diàn）池就是將（jiāng）摻雜（zá）有TFSA的石墨烯（xī）轉移到Si底層上製備而成的，該技術使電池效率從1.9%上升到8.6%，從（cóng）而大大提高了光電池的（de）轉換效率。
後來，Enzheng Shi等（děng）以二氧化鈦作為抗反射塗層來使電池達到減少光反射，增強光吸收的效果，進而將光電轉換效率提高至（zhì）14.1%。盡管如此，但與傳統的ITO相比，其（qí）效率仍有差距。

2.2在顯示器（qì）中的應用

目前市（shì）麵（miàn）上液晶顯（xiǎn）示器中常用的ITO，其透過率在90%左（zuǒ）右（yòu）。與之相比，單層石墨（mò）烯（xī）的優勢在於低至2.3%的可見（jiàn）光吸收度，其透明度比於ITO的90%高出7.7%。雖然透過（guò）率7.7%的提升給人的視覺不會帶來較大影響，但由於上述提到的（de）ITO的局限性，也使得石墨烯在透明電極領域的發展成為可能（néng）。
Peter Blake等人成功製備石墨烯作為（wéi）透明電極的液晶顯示器，首先使用機械剝離法在玻璃片上製備石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜周圍噴塗（tú）5m m鉻和50nm銅，再依（yī）次在表麵添加（jiā）40nm取向膜（mó）、20μm液晶、40nm取向膜、ITO以及玻璃片。添加電場橫穿液晶層打亂其排列，從而改變顯（xiǎn）示器的有效雙折射（shè）和（hé）光傳輸強度。最強和（hé）最弱輸出（chū）光的對比度大於100。此研究結果也為石墨烯應用於液晶顯示器的研（yán）究提供了基礎。
2.3在觸摸（mō）屏中的應用
石墨烯在觸屏領域的應用（yòng）研究國家有中日韓（hán）英美等國家。在歐美地區，以美國的輝銳科（kē）技為代表，已經進軍大麵積石墨烯柔性版觸控屏市場，並計劃未來3年內應用於手（shǒu）機、平板以及便攜設備顯示屏等。在韓國，石墨烯的應用研究也受到了政府的高度重視。2010年，韓國著名的三（sān）星集團與國內某一（yī）科研院所的研究人員合作，成功的以63mm的柔性透明玻璃（lí）纖維聚酯板為基（jī）材，研製出純（chún）石墨烯，其大小近似於電視機，柔性觸屏也（yě）在此基礎上成（chéng）功（gōng）的問世。在日本，產業技術綜合研（yán）究所發布了以卷對卷方式合成寬度為594mm的石墨烯薄（báo）膜裝置。該（gāi）研究所采用以微波等離子（zǐ）技（jì）術（shù），利用300-400℃的低（dī）溫（wēn）CVD法合成石墨烯的（de）方法；此外，東芝和（hé）鬆下也先後製備了大麵積石墨烯薄（báo）膜和厚度隻有10μm的石（shí）墨烯散熱（rè）膜。在我國，常州二維碳素研發團隊突破了石墨烯薄膜應用於中小尺寸手機的觸摸（mō）工藝，實現了薄膜（mó）材料



和ITO模組工藝線的對接。業內專家表（biǎo）示，如果實現了（le）石墨烯薄膜工藝線與現有ITO模組工藝線對接，必將加速實現石墨烯（xī）薄膜材料（liào）在觸控顯示領域的產業化。



2.4在OLED中的應用



Tae–Hee Han等人用化學氣相沉積法與AuCl3摻雜相結合（hé）的方法，製得高性能的CVD石墨烯，其性能可以與ITO相媲美。通過摻（chān）雜，石墨烯表麵的（de）電阻率有明顯的降低，同時工作能也（yě）由（yóu）4.4eV上升到5.95eV，從而解決（jué）了石墨烯與有機半導體膜層之間（jiān）的孔穴（xué）注（zhù）入障礙（ài）[。通過陽離子刻蝕，對石墨（mò）烯進行圖案化處理，而（ér）後在（zài）表麵蒸鍍有機（jī）半導體膜層以及金屬電極，成功（gōng）製備OLED。該研究也使得石墨烯在柔（róu）性OLED領域的應用成為可能。



ZDNet、韓國先驅報（Korea Herald）2017年4月11日報導，韓國電子通訊研究（jiū）院跟Hanwha Techwin合作，以石墨烯製作（zuò）厚度（dù）不到5奈米的透明電極，開發出一款370mm×470mm（相當於19吋屏幕）的OLED麵板，為業界首見。這也使得石墨（mò）烯透明電極在有機發光（guāng）領域的推廣成為可能。



3結論



隨著電子行業的迅速發展及全球能源危機（jī）的（de）不斷加重，石墨烯導電材料的研究和開發具有重要意義。近年來，石墨烯在（zài）透明電極中的研究和使用取得了很大的進展，但也存（cún）在著（zhe）不足：（1）對材料的微觀理論認（rèn）識不夠（gòu），導致理論值和實際值不（bú）相符；（2）采用化學方法製備透明材料時，受基底和反應條件的限製，無法（fǎ）實現氧化石墨（mò）烯的高度還原；（3）材料的製備方法（fǎ）不夠完（wán）善，製備成本（běn）過高；（4）以PET為基材製備複合材料時，其經濟、環保型有待探討。因此，距（jù）離實現石墨烯在該領域的產業化（huà），還有很長的路要走。



未來，在石墨烯導電（diàn）材料（liào）在透明電（diàn）極（jí）中的研究，以（yǐ）下幾點將成為研究重點：（1）如何（hé）改善柔性基底材料，一方麵解決環保問題，另一方麵對降低因基底性能對還原條件的限製，提高氧化石墨烯（xī）的還原比例；（2）如何減低生產（chǎn）成本，提高生產效率；（3）如何提高石墨烯導電（diàn）材料的柔（róu）性。

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