重磅综述:石墨烯导电材料在透明电极中的应用进展

  作为光电器件中的核心部件,透明电极在发光二极管(LED)、液晶显示器(LCD)及有机太阳能电池等方面应用十分广泛,通常要求其在550nm下可视光源穿透率在80% 以上,面阻抗为1000Ω/sq 以下或者满足1000S/m 的电导率。

  透明电极应用在多个方面,包括触摸屏,太阳能电池,智能窗户玻璃,液晶显示器,有机发光二极管等。随着各行各业的迅猛发展,透明电极的性能也面临着越来越高的挑战,既要求高透光率,同时还要求低电阻。与此同时,对于材料本身的机械强度、耐化学性、耐热性以及功函数都有极高的要求。而石墨烯作为优良的导电材料,其综合性能恰能应电子行业发展的需求。因此,其在透明电极领域的应用必然具有广阔的发展前景。

  1石墨烯概述

  英国科学家在2004 年利用简单的胶带微机械剥离的方法,成功的由石墨获得了完美的单层石墨烯,并且测试出优异的电学性能。

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  二维六角蜂窝状晶格这种独特的结构使石墨烯具有拥有室温量子霍尔效应特性。之所以将石墨烯称为优秀的导电材料,一方面,是由于它的导电率达到了106s/m,这种新型的二维碳纳米材料具有极快的电子传输速度,甚至可以达到光速的三百分之一,这种速度是远远高于其他半导体材料的。与此同时,石墨烯还具有高出半导体硅一百倍的迁移率,高达2×105cm2/V·s。

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  2石墨烯在透明电极中的应用现状

  石墨烯作为典型的碳家族材料,具有超高的电子电导率、理想的电容储能和对光透明的特性,在构筑高性能透明导电薄膜(TCE)和柔性透明超级电容方面等方面具有很大潜力。

  2.1 在太阳能电池中的应用

  2009 年,Li 等研发了一种新型的太阳能电池结构,该结构采用石墨烯作为电极的阳极,并与硅半导体结合,形成了石墨烯- 硅肖特基结太阳能电池结构,其具体结构图,如下如图3 所示。在Si/SiO2 基片上,覆盖有一层很薄的石墨烯,并且在石墨烯薄膜上方,有约0.1-0.5cm2 面积的硅层窗口,四周以金线作为栅。

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  近年来,在硅基太阳能电池领域出现了一种新型技术,即以聚三氟甲磺酸胺(TFSA)为掺杂剂对石墨烯进行掺杂,该种电池就是将掺杂有TFSA 的石墨烯转移到Si 底层上制备而成的,该技术使电池效率从1.9% 上升到8.6%,从而大大提高了光电池的转换效率。

  后来,Enzheng Shi 等以二氧化钛作为抗反射涂层来使电池达到减少光反射,增强光吸收的效果,进而将光电转换效率提高至14.1%。尽管如此,但与传统的ITO 相比,其效率仍有差距。

  2.2在显示器中的应用

  目前市面上液晶显示器中常用的ITO,其透过率在90% 左右。与之相比,单层石墨烯的优势在于低至2.3% 的可见光吸收度,其透明度比于ITO 的90% 高出7.7%。虽然透过率7.7% 的提升给人的视觉不会带来较大影响,但由于上述提到的ITO 的局限性,也使得石墨烯在透明电极领域的发展成为可能。

  Peter Blake 等人成功制备石墨烯作为透明电极的液晶显示器,首先使用机械剥离法在玻璃片上制备石墨烯薄膜,在石墨烯薄膜周围喷涂5m m 铬和50nm铜,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。添加电场横穿液晶层打乱其排列,从而改变显示器的有效双折射和光传输强度。最强和最弱输出光的对比度大于100。此研究结果也为石墨烯应用于液晶显示器的研究提供了基

  础。

  2.3在触摸屏中的应用

  石墨烯在触屏领域的应用研究国家有中日韩英美等国家。在欧美地区,以美国的辉锐科技为代表,已经进军大面积石墨烯柔性版触控屏市场,并计划未来3年内应用于手机、平板以及便携设备显示屏等。在韩国,石墨烯的应用研究也受到了政府的高度重视。2010 年,韩国著名的三星集团与国内某一科研院所的研究人员合作,成功的以63mm 的柔性透明玻璃纤维聚酯板为基材,研制出纯石墨烯,其大小近似于电视机,柔性触屏也在此基础上成功的问世。在日本,产业技术综合研究所发布了以卷对卷方式合成宽度为594mm 的石墨烯薄膜装置。该研究所采用以微波等离子技术,利用300-400℃的低温CVD 法合成石墨烯的方法;此外,东芝和松下也先后制备了大面积石墨烯薄膜和厚度只有10μm 的石墨烯散热膜。在我国,常州二维碳素研发团队突破了石墨烯薄膜应用于中小尺寸手机的触摸工艺,实现了薄膜材料

  和ITO 模组工艺线的对接。业内专家表示,如果实现了石墨烯薄膜工艺线与现有ITO 模组工艺线对接,必将加速实现石墨烯薄膜材料在触控显示领域的产业化。

  2.4在OLED 中的应用

  Tae–Hee Han 等人用化学气相沉积法与AuCl3掺杂相结合的方法,制得高性能的CVD 石墨烯,其性能可以与ITO 相媲美。通过掺杂,石墨烯表面的电阻率有明显的降低,同时工作能也由4.4eV上升到5.95eV,从而解决了石墨烯与有机半导体膜层之间的孔穴注入障碍[。通过阳离子刻蚀,对石墨烯进行图案化处理,而后在表面蒸镀有机半导体膜层以及金属电极,成功制备OLED。该研究也使得石墨烯在柔性OLED 领域的应用成为可能。

  ZDNet、韩国先驱报(Korea Herald)2017 年4 月11 日报导,韩国电子通讯研究院跟Hanwha Techwin合作,以石墨烯制作厚度不到5 奈米的透明电极,开发出一款370mm×470mm(相当于19 吋屏幕)的OLED面板,为业界首见。这也使得石墨烯透明电极在有机发光领域的推广成为可能。

  3结论

  随着电子行业的迅速发展及全球能源危机的不断加重,石墨烯导电材料的研究和开发具有重要意义。近年来,石墨烯在透明电极中的研究和使用取得了很大的进展,但也存在着不足:(1)对材料的微观理论认识不够,导致理论值和实际值不相符;(2)采用化学方法制备透明材料时,受基底和反应条件的限制,无法实现氧化石墨烯的高度还原;(3)材料的制备方法不够完善,制备成本过高;(4)以PET 为基材制备复合材料时,其经济、环保型有待探讨。因此,距离实现石墨烯在该领域的产业化,还有很长的路要走。

  未来,在石墨烯导电材料在透明电极中的研究,以下几点将成为研究重点:(1)如何改善柔性基底材料,一方面解决环保问题,另一方面对降低因基底性能对还原条件的限制,提高氧化石墨烯的还原比例;(2)如何减低生产成本,提高生产效率;(3)如何提高石墨烯导电材料的柔性。


关键字:石墨烯
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