石墨烯導電材料在透明電極中的應用進展

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）及有機太陽能電池等方面應用十分廣泛，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 的電導率。

透明電極應用在多個方面，包括觸摸屏，太陽能電池，智能窗戶玻璃，液晶顯示器，有機發光二極管等。隨著各行各業的迅猛發展，透明電極的性能也面臨著越來越高的挑戰，既要求高透光率，同時還要求低電阻。與此同時，對于材料本身的機械強度、耐化學性、耐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，其在透明電極領域的應用必然具有廣闊的發展前景。

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室溫量子霍爾效應特性。之所以將石墨烯稱為優秀的導電材料，一方面，是由于它的導電率達到了

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，甚至可以達到光速的三百分之一，這種速度是遠遠高于其他半導體材料的。與此同時，石墨烯還具有高出半導體硅一百倍的遷移率，高達2×10⁵cm²/V·s。

2　石墨烯在透明電極中的應用現狀

石墨烯作為典型的碳家族材料，具有超高的電子電導率、理想的電容儲能和對光透明的特性，在構筑高性能透明導電薄膜（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用

2009 年，Li 等研發了一種新型的太陽能電池結構，該結構采用石墨烯作為電極的陽極，并與硅半導體結合，形成了石墨烯- 硅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域出現了一種新型技術，即以聚三氟甲磺酸胺（TFSA）為摻雜劑對石墨烯進行摻雜，該種電池就是將摻雜有TFSA 的石墨烯轉移到Si 底層上制備而成的，該技術使電池效率從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14.1%。盡管如此，但與傳統的ITO 相比，其效率仍有差距。

2.2　在顯示器中的應用

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域的發展成為可能。

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度。最強和最弱輸出光的對比度大于100。此研究結果也為石墨烯應用于液晶顯示器的研究提供了基

礎。

2.3　在觸摸屏中的應用

石墨烯在觸屏領域的應用研究國家有中日韓英美等國家。在歐美地區，以美國的輝銳科技為代表，已經進軍大面積石墨烯柔性版觸控屏市場，并計劃未來3年內應用于手機、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，韓國著名的三星集團與國內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，柔性觸屏也在此基礎上成功的問世。在日本，產業技術綜合研究所發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，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，常州二維碳素研發團隊突破了石墨烯薄膜應用于中小尺寸手機的觸摸工藝，實現了薄膜材料

和ITO 模組工藝線的對接。業內專家表示，如果實現

了石墨烯薄膜工藝線與現有ITO 模組工藝線對接，必

將加速實現石墨烯薄膜材料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半導體膜層之間的孔穴注入障礙[。通過陽離子刻蝕，對石墨烯進行圖案化處理，而后在表面蒸鍍有機半導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，開發出一款370mm×470mm（相當于19 吋屏幕）的OLED面板，為業界首見。這也使得石墨烯透明電極在有機發光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的不斷加重，石墨烯導電材料的研究和開發具有重要意義。近年來，石墨烯在透明電極中的研究和使用取得了很大的進展，但也存在著不足：（1）對材料的微觀理論認識不夠，導致理論值和實際值不相符；（2）采用化學方法制備透明材料時，受基底和反應條件的限制，無法實現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 為基材制備復合材料時，其經濟、環保型有待探討。因此，距離實現石墨烯在該領域的產業化，還有很長的路要走。

未來，在石墨烯導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）如何減低生產成本，提高生產效率；（3）如何提高石墨烯導電材料的柔性