基于石墨烯夾層結(jié)構(gòu)的柔性透明導(dǎo)電薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種柔性透明導(dǎo)電薄膜及其制備方法，尤其是涉及一種基于石墨烯夾層結(jié)構(gòu)的柔性透明導(dǎo)電薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能電池的透明電極，要求具有較高的光透射率和良好的傳導(dǎo)電流的功能，傳統(tǒng)的透明電極為氧化銦錫(ITO)，和其他材料相比，ITO具有很高的光透射率，低方塊電阻，符合了電極對高效傳輸光能和傳導(dǎo)電流的要求。然而，傳統(tǒng)的透明電極，為了減小方塊電阻而提高薄膜厚度時(shí)，其光傳輸率會隨著厚度的增加而降低。另外，傳統(tǒng)的透明電極脆性易碎，利用其制造的光電器件易損壞。同時(shí)銦還是一種比較稀有的材料，導(dǎo)致了透明電極的制作成本比較高。
[0003]石墨烯是一種二維結(jié)構(gòu)的碳材料，具有高透光率為97%，突出的導(dǎo)熱率為SOOOWnTl.1，高的電子迀移率為lOOOOcmW1等優(yōu)良性質(zhì)，另外，其單層厚度僅有0.34nm,柔韌易彎曲。目前，制備石墨烯的方法包括機(jī)械剝離法，氧化還原法，化學(xué)氣相沉積法等，可大批量生成，且成本較低。因此，石墨烯薄膜可作為最有潛力的替代傳統(tǒng)透明電極的材料，可降低太陽能電池的生產(chǎn)成本，也可提高電池的柔韌性。
[0004]相比于基于ITO的太陽能電池，基于CVD方法制備、轉(zhuǎn)移得到的石墨烯薄膜的太陽能電池在光電轉(zhuǎn)換效率方面并不占優(yōu)勢，其中一個(gè)原因是CVD方法制得的石墨烯薄膜晶粒比較小，由于晶界的作用，電子傳輸受到影響，電導(dǎo)率也大大降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是:提供一種基于石墨烯夾層結(jié)構(gòu)的柔性透明導(dǎo)電薄膜及其制備方法，該柔性透明導(dǎo)電薄膜不僅制備方法簡單，石墨烯薄膜和銅納米線的應(yīng)用在保證了高透光率的同時(shí)，還大大提高了電導(dǎo)率，同時(shí)該柔性透明導(dǎo)電薄膜還具有良好的柔韌性和較低的生產(chǎn)成本。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于石墨烯夾層結(jié)構(gòu)的柔性透明導(dǎo)電薄膜，包括至少2層石墨烯薄膜層，以及間隔設(shè)于相鄰所述石墨烯薄膜層之間的銅納米線層。
[0007]作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述石墨稀薄膜層的厚度為0.34?3.4nm。
[0008]作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述銅納米線層中銅納米線的直徑為10?100nm，長度為I?10um，相鄰銅納米線的中心距為5?lOOOnrn。
[0009]作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述銅納米線層的光傳輸率大于85%，薄層電阻〈ΙΟΩ/sq。
[0010]上述基于石墨烯夾層結(jié)構(gòu)的柔性透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
(I)采用常壓化學(xué)氣相沉積法制備帶有銅箔襯底的石墨烯薄膜層，在所述石墨烯薄膜層上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯和丙酮的混合溶液，干燥后放入三氯化鐵溶液中刻蝕銅箔襯底，然后用丙酮去除轉(zhuǎn)移介質(zhì)，再將石墨烯薄膜層轉(zhuǎn)移到Si02/Si片或玻璃片上； (2)將氫氧化鈉溶液、硝酸銅溶液、乙二胺、水合肼按20:1: 0.05?0.2: 0.05?0.1的體積比配好并倒入燒瓶中，震蕩搖勻，其中硝酸銅溶液的濃度為I?15mol/L，氫氧化鈉溶液的濃度為20?300mol/L，把燒瓶在40?80°C溫度下水浴加熱，同時(shí)進(jìn)行磁力攪拌持續(xù)0.5?2h，直至底部溶液顏色為無色澄清，繼續(xù)磁力攪拌I?lOmins，生長銅納米線并漂浮在溶液表面，直到底部溶液呈紅色，倒入離心管中，并注入聚乙烯吡咯烷酮，離心使得銅納米線和聚乙烯吡咯烷酮分層，將離心管冰浴靜置，最后將銅納米線取出，并反復(fù)用無水乙醇和去離子水超聲清洗，將烘干后的銅納米線溶于PEDOT:PSS水溶液中，均勻混合后旋涂在步驟(I)所得到的石墨烯薄膜上，然后在120°c環(huán)境下，進(jìn)行10?40mins烘干，得到覆于石墨烯薄膜層上的銅納米線層；
(3 )采用步驟(I)的方法制備石墨烯薄膜層，然后將石墨烯薄膜層轉(zhuǎn)移到步驟(2 )所得到的銅納米線層上，之后放入管式爐中，在氬氣氛圍下，150?300°C退火30mins，得到基于石墨烯夾層結(jié)構(gòu)的柔性透明導(dǎo)電薄膜，本方法可根據(jù)需要繼續(xù)重復(fù)步驟(2)和步驟(3)的方法制備第N-1層銅納米線層和第N層石墨烯薄膜層，其中N大于2。
[0011]作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(I)中所述常壓化學(xué)氣相沉積法制備帶有銅箔襯底的石墨烯薄膜層的具體步驟為:將銅箔超聲波清洗3?20mins后放于石英片上并一起置于管式爐中央，在氬氣和氫氣保護(hù)下，升溫至950?1030°C后退火處理30?60mins，然后通入碳源，在金屬催化下，碳原子在銅箔上沉積，反應(yīng)20?40mins后快速降溫，得到生長在銅箔上的石墨烯薄膜層。
[0012]作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(I)中所述銅箔依次采用異丙醇、丙酮、三氯化鐵、去離子水溶液進(jìn)行超聲波清洗。
[0013]作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(2)中的旋涂轉(zhuǎn)速為2500?3500rpm，旋涂時(shí)間為30 ?1200so
[0014]作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(2)中將超聲波清洗過后的銅納米線在氮?dú)夂蜌錃獗Ｗo(hù)下進(jìn)行退火處理，退火溫度為200°C，時(shí)間為20?40mins。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
1.本發(fā)明基于石墨烯夾層結(jié)構(gòu)的柔性透明導(dǎo)電薄膜，以高透光率，高導(dǎo)電率，柔性的石墨烯/銅納米線/石墨烯夾層結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氧化銦錫透明電極，避免了傳統(tǒng)材料高昂的制作成本和易脆的缺點(diǎn)，提高了基于其所制成的光電器件的效率和柔性度，同時(shí)降低了光電器件的生產(chǎn)成本；
2.本發(fā)明基于石墨烯夾層結(jié)構(gòu)的柔性透明導(dǎo)電薄膜，通過銅納米線的應(yīng)用，促進(jìn)了電子在石墨烯晶粒之間的傳輸效率，同時(shí)相較于石墨烯薄膜，大大增加了透明導(dǎo)電薄膜的導(dǎo)電率，提高了基于其所制成的薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率；
3.本發(fā)明基于石墨烯夾層結(jié)構(gòu)的柔性透明導(dǎo)電薄膜，通過石墨烯和銅納米線的復(fù)合應(yīng)用，在滿足電導(dǎo)率的前提下，提高了透光率，從而提高了太陽電池的外量子效應(yīng)和光電轉(zhuǎn)化能力；
4.本發(fā)明基于石墨烯夾層結(jié)構(gòu)的柔性透明導(dǎo)電薄膜，通過石墨烯和銅納米線的復(fù)合應(yīng)用，提高了導(dǎo)電薄膜的柔性，使得彎折度從〈60°增大到〈138°。
【附圖說明】
[0016]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
圖1為本發(fā)明的覆有銅箔襯底和轉(zhuǎn)移介質(zhì)的石墨烯薄膜層的示意圖；
圖2為本發(fā)明的覆有銅納米線層的石墨烯薄膜層的示意圖；
圖3為本發(fā)明基于石墨烯夾層結(jié)構(gòu)的柔性透明導(dǎo)電薄膜的示意圖。
[0017]其中:1石墨烯薄膜層，2銅納米線層，3銅箔，4轉(zhuǎn)移介質(zhì)層。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對上述方案做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0019]實(shí)施例1
(1)首先將銅箔分別經(jīng)過異丙醇、丙酮、三氯化鐵、去離子水溶液超聲波清洗1mins后放于石英片上并一起置于管式爐中央，在氬氣(500sccm)和氫氣(10sccm)混合氣氛的保護(hù)下，升溫至1000°C，然后進(jìn)行60mins的退火處理，之后保持溫度不變，向反應(yīng)室通入甲烷(30sCCm)，利用金屬催化甲烷，使得碳原子在銅箔上沉積，反應(yīng)時(shí)間為30mins，然后快速降溫，得到生長在銅箔上的石墨烯薄膜層，接著將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和丙酮的混合溶液旋涂在石墨烯薄膜層的一個(gè)側(cè)面上，干燥后，放入三氯化鐵溶液中刻蝕銅箔襯底，最后得到帶有轉(zhuǎn)移介質(zhì)的石墨烯薄膜層，然后用丙酮去除轉(zhuǎn)移介質(zhì)，再將石墨烯薄膜層轉(zhuǎn)移到Si02/Si片或玻璃片上。
[0020](2)將 20mL氫氧化鈉(20mol/L)、ImL硝酸銅(lmol