[发明专利]一种由机械剥离石墨烯微片制备大尺寸的薄膜及太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术领域，特别涉及一种大尺寸石墨烯微片薄膜的机械剥离制备及太阳能电池。

背景技术

石墨烯是一种导电性能十分出色的材料，较高的杨氏模量、热导率、较高的载流子迁移率、巨大的比表面积理论计算值等优越的性质，使石墨烯拥有十分广阔的发展前景。

规模化制备大尺寸石墨烯薄膜是石墨烯电子行业产业化的前提条件。目前，大尺寸石墨烯薄膜通常通过金属催化的方法制备，从而难以规模化生产应用，而且成本极高。例如，中国专利公开号103255474A公开了一种大尺寸单晶石墨烯的制备方法，其特征是在800℃以上的环境中，通过调节有机气体、氢气和惰性气体的流速及流量场的分布在金属表面制备出大尺寸单晶石墨烯；所述有机气体包括：烷烃，烯烃、炔烃、芳香烃等含碳气体；所述金属 表面包括：铜、铂等金属表面；所述流量场包括：各种气体的流速、流动方向以及气压；热处理时的环境气压为常压，时间在20min-40min；所述生长时的环境气压在1 Pa-300 Pa 之间，时间在1 min-2h。但是，这种方法使用金属高温还原有机气体，得到活性碳原子，采用贵金属作为生长衬底，成本昂贵，保持在高温下生长薄膜，对设备仪器要求高，不适合大规模生产。

中国专利公开号104695012A公开了一种制备大尺寸高质量石墨烯单晶的装置及方法。该装置包括 ：壳体和顶盖，顶盖内设带布气管的气体喷头，使进入的高纯气体均匀分布进入反应腔体 ；反应腔体由密封石英管、插接在两段密封石英管中间的石墨发热体、放置在石墨发热体内部的石墨坩埚组成，石墨坩埚用于放置 SiC 晶片衬底 ；石墨发热体外有冷却水系统、中频线圈 ；壳体底部有出气口。本发明还提供利用该装置在 SiC 衬底上制备大尺寸高质量石墨烯单晶的方法。采用本装置及生长方法，在 SiC 衬底上制得高质量的石墨烯晶体，其迁移率比 SiC高温热解方法制备的石墨烯提高近 1 ～ 2 个数量级。但是，这种方法的主要设计思路还是从SiC高温热解的方法，从获得碳原子出发，重新排列碳原子获得石墨烯，采用高纯氢气和高温环境下分解反应，设备成本高，设备工作期间危险性大。

中国专利公开号102020270A公开了一种大尺寸石墨烯的制备方法，适用于大尺寸石墨烯的宏量制备。该方法包括：(1)采用大尺寸石墨为原料，利用改性 Hummers 方法对石墨原料进行弱氧化；(2) 采用弱超声或振荡方法将分散在水中的氧化石墨进行温和剥离，获得氧化石墨烯；(3)采用多次离心方法，通过控制离心转速和离心时间将氧化石墨烯分离，得到均匀的大尺寸氧化石墨烯；(4)将氧化石墨烯沉积在基体上，利用肼或水合肼还原，得到高质量、大尺寸石墨烯。采用本发明获得大尺寸的石墨烯，最大面积可达3× 10⁴μm²，为石墨烯在透明导电膜、显示器和太阳能电池电极、气体传感器、光电转换器、薄膜电子器件等柔性光电功能薄膜领域的应用奠定了基础。虽然这种方法避免了之前的高温状态和高危气体的使用，但是，该方法中使用大尺寸石墨作为原料对石墨烯的尺寸就存在限制，无法获得能够直接应用大尺寸的石墨烯薄膜。该方法的还原剂为有毒的肼或水合肼，不仅生产成本高，而且对环境污染，影响操作工人的身体健康。

综上所述，工业化生产需要一种操作简单、成本低廉、无毒、无污染的大尺寸石墨烯薄膜制备工艺。

发明内容

为了解决上述方法的不足和缺陷，本发明采用连续螺杆挤出机提供的剪切力剥离石墨，获得石墨烯，然后将石墨烯在表面活性剂的帮助下，分散在去离子水中。之后将疏水溶剂滴加在去离子水中，形成互不相溶的两种溶剂，使得在液/液界面处形成一层铺展的石墨烯薄膜。将大尺寸衬底悬浮在疏水溶剂中，保持衬底的上表面或下表面与液/液表面平齐。通过降温使有机溶剂固化，连同衬底一起取出，石墨烯薄膜覆盖在衬底一侧，除去墨烯和衬底材料之间和周围的有机溶剂杂质，就可以获得大尺寸的石墨烯薄膜。该方法利用降温固化的方式，保护了在互不相溶的液/液界面处石墨烯自组装形成的石墨烯薄层，通过物理作用从分散液中剥离了石墨烯薄层，整个工艺操作简单，避免了高温环境和高危气体的工作环境，以及避免了剧毒有机反应物的使用，具有宽广的市场应用价值。

一方面，本发明提供了一种由机械剥离石墨烯微片制备大尺寸的薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：

a. 将石墨材料和表面活性剂混合放入连续螺杆反应挤出机，设置连续螺杆反应挤出机温度至60~350℃，挤出压力20~50MPa，获得固体产物，该固体产物即为石墨烯预制渣块；