[发明专利]一种掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨烯和铝共掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其特征在于采用溶胶凝胶法制备石墨烯和铝共掺杂氧化锌透明导电薄膜，以锌粉作为氧化石墨烯的还原剂和形成氧化锌的原料，透明导电薄膜的化学组成为：Zn_1‑xO_1+zAl_xC_y，其中，x=0.02‑0.1，y=0.05‑0.25，z=0.05y‑0.1y，制备过程包括氧化铝溶胶制备、氧化石墨烯的还原、掺杂溶胶制备、杂化薄膜涂布和杂化薄膜后处理。本发明采用纳米氧化铝溶胶作为杂化薄膜的掺杂剂、晶种和分散剂，提高了掺杂薄膜的透光率和导电性；采用了沸点比较低的新型稳定剂，克服了现有稳定剂难以挥发，导致透明导电薄膜透光率降低的不足。

技术领域

本发明涉及一种掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，特别是一种石墨烯和铝共掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，属于新材料和节能环保领域。

技术背景

透明导电薄膜是具有光学透明性和导电性的光电材料，将其支撑在玻璃或透明树脂材料上可作为薄膜太阳电池的透明电极、液晶显示屏电极、气体传感器电极、车窗防雾电极和光催化材料等。常见的透明导电薄膜材料包括氧化铟基（ITO）、氧化锡基（FTO）和氧化锌基（AZO）透明导电氧化物薄膜、低电阻贵金属材料和石墨烯材料。

铝掺杂氧化锌（AZO）透明导电氧化物薄膜不仅具有较低的电阻率和高的光学透过率，而且原料价廉易得、无毒性，易刻蚀、稳定性好，被认为是取代氧化铟基导电薄膜的最佳候选材料，吸引了大批科研人员从事技术改进研究。研究开发了溅射法、脉冲激光沉积法、化学气相沉积法、喷雾热分解法和溶胶-凝胶法等多种AZO透明导电薄膜制备方法，但其透光率和导电性能仍不能达到ITO薄膜或FTO薄膜的技术指标。随着石墨烯制备技术的快速发展，专业人员着手研究将石墨烯与AZO材料复合，以优化其透光、导电和催化功能。

单层石墨烯的透光率高达 97%以上，4层石墨烯的透光率也达90%，导电性接近金属铜，具有可卷曲性以及化学稳定性，如果在氧化锌或掺铝氧化锌中掺杂石墨烯，共价结合的石墨烯降低了氧化物的晶间电阻，理论上将提高掺杂氧化锌半导体中的载流子浓度和导电性，同时提高形成薄膜的韧性。例如，中国专利CN103922388A(2014-07-16)公开一种石墨烯/掺铝氧化锌导电复合材料的制备方法。中国专利CN108165956A(2018-06-15)公开一种添加石墨烯的AZO复合薄膜的制备方法。

石墨烯主要是从氧化石墨烯还原制备的，氧化石墨具有和石墨烯相似的二维片层结构，不同的是其分子中引入了大量的含氧基团，其片层表面分布着羟基和环氧基，片层边缘含有羧基和羰基，使导电性能大幅降低，必须经过还原反应将含氧基团除去。还原方法包括热还原法、水热还原法和化学还原法等。化学还原法的关键是化学还原剂的选择，既要考虑其还原能力和价格，也要考虑应用时的环保安全因素。公开报道的氧化石墨烯化学还原剂已有10多种，有机还原剂主要是水合肼及其衍生物、维生素C、还原糖和氨基酸等；无机还原剂主要是活泼金属、硼氢化钠、氢化铝锂、氢气、氢碘酸和保险粉等。中国专利CN106140130A(2016-11-23)公开一种ZnO-还原氧化石墨烯复合光催化剂，采用锌粉在碱性条件下还原氧化石墨烯，由于形成的氧化锌是凝聚的粗颗粒沉淀物，而不是溶胶，不能用于涂膜应用。中国专利CN105976941A(2016-09-28)公开了一种柔性铝掺杂氧化锌/石墨烯复合材料的制备工艺，将氧化石墨烯涂膜后还原，再在其上涂布铝掺杂氧化锌薄膜，工艺过程比较复杂，也没有公开复合材料薄膜的透光和导电效果。

发明内容