[发明专利]石墨烯-氧化锌透明导电薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种透明导电薄膜的制备方法。主要是采用溶胶-凝胶（Sol-Gel）法，掺杂石墨烯制成石墨烯-氧化锌透明导电薄膜，在满足透明导电薄膜的电导率、雾度等技术指标要求基础上较大幅度的提高其光谱透光率，尤其是紫外波段的光谱透光率。

背景技术

无论是晶体硅太阳能电池，还是薄膜太阳能电池的制作都需要使用透明导电玻璃，随着太阳能电池的日新月异发展，透明导电玻璃呈现出越来越广阔的市场前景。与此同时，透明导电玻璃不仅在太阳能电池领域得到应用，在平板显示器、热反射镜、透明表面发热器、柔性发光器件、雷达屏蔽保护、汽车玻璃等领域也得到应用。

目前，应用相对广泛的透明导电玻璃主要有三种：ITO（掺锡的氧化铟）、FTO（掺氟的氧化锡）、AZO（掺铝的氧化锌）。其中ITO玻璃虽然透光性好，导电率高，但是In在自然界中很稀少，且ITO不稳定，所以并非主流的透明导电玻璃；FTO玻璃导电性稍差，且F有剧毒。而AZO玻璃由于原材料丰富，制造成本低廉无毒，易于实现掺杂，成为目前发展最迅速，前景最好的透明导电玻璃，但AZO玻璃附着性差，易于潮解，制约它的应用推广。

由于石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料, 具有许多奇特而优异的性能，如杨氏模量(约1100 GPa)、热导率(约5000 J/(m·K·s))、载流子迁移率(2×105cm²/(V·s))以及比表面积(理论计算值2630 m²/g)，透光性等均比较高。特别是作为单质，在室温下电子的运动速度达到了光速的1/300，比已知导体都快。

可利用石墨烯的高透光性和导电性，制备一种掺杂石墨烯的导电薄膜用作透明导电玻璃，以期能达到甚至优于AZO玻璃的光电性能。此外，当前氧化锌薄膜主要采用化学气相沉积法，磁控溅射法和溶胶-凝胶法等设备方法。

发明内容

针对以上情况，本发明提供了一种可用于太阳能薄膜电池的石墨烯-氧化锌透明导电薄膜及其制备方法。本石墨烯-氧化锌透明导电薄膜的碳原子以石墨烯的形式存在于石墨烯-氧化锌导电薄膜中，其质量分数为0.11%-0.80%，氧化锌的质量分数为99.2%-99.89%，有效利用了石墨烯的高透光性和导电性，尤其是紫外波段的光谱透光率，能够达到甚至优于掺铝的氧化锌（AZO）玻璃的光电性能，采用溶液-凝胶法制备石墨烯-氧化锌（Graphene Zinc Oxide, GZO）薄膜，具有方法简单，无需真空设备、能耗低等特点，可望在各种各样的衬底上制备大面积GZO薄膜。

本发明为了实现上述目的，可使用以下方案：

本发明提供了一种可用于太阳能薄膜电池的石墨烯-氧化锌透明导电薄膜，其特征在于，具有：石墨烯和氧化锌，石墨烯的质量分数可以为0.11%-0.80%，氧化锌的质量分数可以为99.2%-99.89%。

本发明所涉及的石墨烯-氧化锌透明导电薄膜的制备方法方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)用氧化石墨烯粉末放入乙二醇甲醚中，每1克氧化石墨烯粉末配5-10毫升乙二醇甲醚，超声0.5-3小时，得到氧化石墨烯溶液；(2)将二水合醋酸锌溶于乙二醇甲醚，每0.303-0.456摩尔二水合醋酸锌溶于1升乙二醇甲醚，搅拌使其溶解，再加入与二水合乙酸锌等摩尔数的乙醇胺，在50℃-100℃的恒温下充分搅拌1小时后得到透明均质的氧化锌胶体溶液；(3)将氧化锌胶体溶液与氧化石墨烯溶液按照氧化锌胶体溶液 中氧化锌与石墨烯溶液中碳原子的质量比为1：0.01-0.33的比例进行混合，得到氧化石墨烯-氧化锌溶液，搅拌使氧化石墨烯-氧化锌溶液混合均匀，然后加入过量的水合肼作为还原剂还原氧化石墨烯-氧化锌溶液中的氧化石墨烯，每含有1克的氧化石墨烯的氧化石墨烯-氧化锌溶液需加入2-3毫升水合肼，得到石墨烯—氧化锌溶液；(4)将石墨烯-氧化锌胶体溶液使进行旋涂镀膜，在预先清洗好地衬底上滴加石墨烯—氧化锌胶体溶液，使用旋涂仪先在500-800转/秒，后在2000-3000转/秒重复将石墨烯—氧化锌胶体溶液以旋涂的方式均匀涂覆在衬底上，将衬底先在100℃-200℃的恒温箱中预烧10-20分钟，然后取出放在室温至80℃冷却数分钟；(5)重复步骤(4)的过程5—20次，得到石墨烯-氧化锌透明导电薄膜再对石墨烯-氧化锌透明导电薄膜在氮气环境下退火3个小时的热处理。

发明效果