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石墨烯基透明电极2018-02-27

透明电极是光电器件中重要的组成部分,广泛应用到发光二极管(LED:light emitting diode)、液晶显示器(LCD:liquid crystal display)及有机太阳能电池等方面,现阶段市场上占主导的透明电极材料是ITO(Indium tin oxid.e)。ITO是一种约90%的In203和约10%的Sn02组成的11型掺杂半导体材料,目前常用的商业化ITO在可见光范围的透过率为之80%,面电阻Rs约为10-100 Q,随着透光率的增加,面电阻逐渐变大。透明电极应用在多个方面,其中在太阳能电池的应用中,为了提高太阳能电池的效率,一方面要提高透明电极的光透过率,另一方面则应减小电极本身的电阻。这两个要求间存在矛盾,因此必须综合考虑实际情况选择具有合适透过率和电阻值的透明电极,除了上述透过率和导电性的要求,电极的功函数、机械性能、热稳定性和化学稳定性也是实际应用中考虑的问题。但一直以来,由于ITO由于本身的缺陷,使其应用范围受到限制,具体来说主要有以下几方面:

(1)铟是贵金属,价格不断增高,使得ITO的价格也不断攀升:
(2)现阶段的需求要求透明电极不仅具有高透明性及高导电性,还应有较好的柔性,例如在液晶显示屏及太阳能电池的应用中,要求电极材料能够任意折叠,而ITO的脆性使其在弯曲条件下容易产生裂纹甚至断裂,因而不可能作为柔性电极。
(3)ITO内在的特性使其难以蚀刻及在高温下使用:对酸性敏感、热稳定性等问题均使其应用范围受到限制,因此急需找到一种适应能力更强的ITO替代材料。

金属网、金属纳米线和碳基材料都曾被尝试作为ITO的替代品。金属线的研究取得了较多成果1,其中银纳米线的研究尤为引入瞩目。碳基材料因具有较高的化学及热稳定性,在透明电极方面也得到关注,如多壁碳纳米管(MWCNT)与聚乙烯复合材料的透光率达到70%,表面电阻可达到90 K.Q/sq,离应用要求仅一步之遥。自2004年石墨烯发现以来,因其在较宽的波长范围内具有高透过率、超高的载流子迁移率、优异的力学性能和稳定性,有望成为理想的柔性透明电极材料。与CNT相比,石墨烯价格便宜,易与其他材料复合。因此石墨烯及石墨烯基复合电极材料尤其是透明电极材料逐渐显示出不同于传统材料的独特优势。

 

石墨烯

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