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石墨烯導(dǎo)電材料在透明電極中的應(yīng)用進(jìn)展

石墨烯導(dǎo)電材料在透明電極中的應(yīng)用進(jìn)展
IKN  2019-04-29  |  閱讀:2576

石墨烯導(dǎo)電材料在透明電極中的應(yīng)用進(jìn)展


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 以下或者滿足1000S/m 的電導(dǎo)率。


透明電極應(yīng)用在多個方面,包括觸摸屏,太陽能電池,智能窗戶玻璃,液晶顯示器,有機(jī)發(fā)光二極管等。隨著各行各業(yè)的迅猛發(fā)展,透明電極的性能也面臨著越來越高的挑戰(zhàn),既要求高透光率,同時還要求低電阻。與此同時,對于材料本身的機(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

英國科學(xué)家在2004 年利用簡單的膠帶微機(jī)械剝離的方法,成功的由石墨獲得了完美的單層石墨烯,并且測試出優(yōu)異的電學(xué)性能。

二維六角蜂窩狀晶格這種獨特的結(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,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、理想的電容儲能和對光透明的特性,在構(gòu)筑高性能透明導(dǎo)電薄膜(TCE)和柔性透明超級電容方面等方面具有很大潛力。


2.1 在太陽能電池中的應(yīng)用

2009 年,Li 等研發(fā)了一種新型的太陽能電池結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)采用石墨烯作為電極的陽極,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,四周以金線作為柵。

近年來,在硅基太陽能電池領(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,Enzheng Shi 等以二氧化鈦作為抗反射涂層來使電池達(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,其透過率在90% 左右。與之相比,單層石墨烯的優(yōu)勢在于低至2.3% 的可見光吸收度,其透明度比于ITO 的90% 高出7.7%。雖然透過率7.7% 的提升給人的視覺不會帶來較大影響,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,在石墨烯薄膜周圍噴涂5m 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)用研究國家有中日韓英美等國家。在歐美地區(qū),以美國的輝銳科技為代表,已經(jīng)進(jìn)軍大面積石墨烯柔性版觸控屏市場,并計劃未來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,石墨烯的應(yīng)用研究也受到了政府的高度重視。2010 年,韓國著名的三星集團(tuán)與國內(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)上成功的問世。在日本,產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所發(fā)布了以卷對卷方式合成寬度為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,常州二維碳素研發(fā)團(tuán)隊突破了石墨烯薄膜應(yīng)用于中小尺寸手機(jī)的觸摸工藝,實現(xiàn)了薄膜材料

和ITO 模組工藝線的對接。業(yè)內(nèi)專家表示,如果實現(xiàn)

了石墨烯薄膜工藝線與現(xiàn)有ITO 模組工藝線對接,必

將加速實現(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。通過摻雜,石墨烯表面的電阻率有明顯的降低,同時工作能也由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[。通過陽離子刻蝕,對石墨烯進(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、韓國先驅(qū)報(Korea Herald)2017 年4 月11 日報導(dǎo),韓國電子通訊研究院跟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。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)電材料的研究和開發(fā)具有重要意義。近年來,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)對材料的微觀理論認(rèn)識不夠,導(dǎo)致理論值和實際值不相符;(2)采用化學(xué)方法制備透明材料時,受基底和反應(yīng)條件的限制,無法實現(xiàn)氧化石墨烯的高度還原;(3)材料的制備方法不夠完善,制備成本過高;(4)以PET 為基材制備復(fù)合材料時,其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保型有待探討。因此,距離實現(xiàn)石墨烯在該領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化,還有很長的路要走。


未來,在石墨烯導(dǎo)電材料在透明電極中的研究,以下幾點將成為研究重點:(1)如何改善柔性基底材料,一方面解決環(huán)保問題,另一方面對降低因基底性能對還原條件的限制,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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