石墨烯是碳的同素异形体的一种，也是二维的薄膜材料，具有独特的导电特性及机械弯曲性能，可以作为太阳能电池、有机发光器件的柔性电极。
除此之外，石墨烯与有机聚合物材料复合可以形成大的给体受体界面，有利于扩散速率、载流子迁移率的提高，可以作为太阳能电池的受体材料。
它具有一维尖锐的刀口状边缘，具有大的电场增强系数，同时由于石墨烯自身的良好导电能力，可以作为场致发射器件中的电子传导与电场发射材料。
石墨烯在光电器件的应用中，是一个极具前景的新研究领域，今天咱们就来聊一聊这个话题。
石墨烯的特性
石墨烯是碳家族中单层碳原子构成的蜂巢晶格结构的二维薄膜材料，碳原子以sp2杂化轨道组成六角型晶格结构
而石墨烯的导带及价带呈现线性色散关系并与由布里渊区六角顶点组成费米面相交，呈现出金属或零带隙半导体性质，因此具有优异的力学、光学、热学和电学等性能。
一般而言，单层石墨烯的厚度为0.335 nm，碳碳键的长度仅为0.142 nm，碳原子之间柔韧连接使石墨烯在原子面受外力时保持稳定的晶格结构。
石墨烯中相邻碳原子pz轨道电子云碰撞形成大π共轭平面，产生的离域π电子可以自由移动，因此石墨烯具有良好的导电性，在室温条件下具有非常高的电子迁移率。
单原子层石墨烯材料理论表面积可达2630 m2/g，零带隙二维石墨烯材料具有高载流子迁移率、较好的电子传输能力、大比表面积以及高透光等特性，可应用于很多的领域。
石墨烯与太阳能电池
2.1石墨烯电池电极
石墨烯具有高迁移率、高透光率、高电导率，而且较低的载流子浓度使反射率低，较容易穿过更大波长范围的光，相比ITO、FTO、AZO等氧化物透明导电材料，可透过大部分红外线。
利用HNO3对CVD化学气相淀积制备的石墨烯薄膜进行P型掺杂制备出8层石墨烯，薄膜的方块电阻为90Ω/sq,透光率为80%，与传统的透光电极性能相近。
Lee等利用含氟聚合物对CVD制备的石墨烯进行掺杂获得高性能的柔性透光电极，因此，石墨烯成为太阳能电池透明导电电极新的替代材料。
石墨烯应用于染料敏化太阳能电池（DSSC）电极。在染料敏化电池中石墨烯与TiO2之间有很好的物理吸附、电荷传输相互作用，可以减少光电子的复合，被用作替代铂金的光阳极对电极。
PSS复合材料作为染料敏化太阳能电池的对电极，在可见光下的透过率为80%，光电能量能量转换效率达到4.5％，与相同条件下铂电极作为对电极的6.3%光电能量转化效率已具有可比性。
PBASE有机分子非共价修饰制备的石墨烯作为阳极，用于Glass/graphene/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al结构的太阳能电池，光电能量转化效率为1.71%......
2.2石墨烯应用于太阳能电池缓冲层
PSS是传统的空穴传输层，呈酸性，对ITO电极会产生腐蚀，引起铟迁移到活性层中而使电池性能下降。石墨烯的替代使用可以提高电池器件的稳定性及寿命。
利用氧化石墨烯和PEDOT:PSS复合材料作为P3HT:PCBM体系有机太阳能电池的缓冲层，光电能量转换效率达到3.8%。
将Cs2CO3与GO上的COOH连接，获得聚合物太阳能电池的阴极缓冲层材料，用于ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/GOCs/Al正型结构的太阳能电池，光电能量转换效率达到3.08%。
2.3石墨烯应用于太阳能电池活性层
蜂窝状的石墨烯与有机聚合物材料复合可以形成大的给体受体界面，有利于电池中激子的扩散速率及载流子迁移率的提高，消除由于电荷传输路径被破坏产生二次聚集，因此石墨烯将是有机太阳能电池电子受体材料的很好选择。
采用异氰酸苯酯功能化后的单层石墨烯（SPF Graphene）作为受体，以P3HT作为给体，研究发现电子在给受体界面处发生强烈的作用，产生了很强的能量转移，器件获得开路电压0.72 V、短路电流密度4.0 mA/cm2、光电能量转化率1.1%的性能。
将石墨烯作为受体，聚噻吩作为电子给体，两种材料共混做成太阳能电池的活化层，光电能量转换效率为1.4％......
石墨烯量子点应用于太阳能电池
无缺陷的石墨烯是零带隙的半导体材料，但在光电领域应用时一般需要引入带隙。近年来，在将石墨烯二维材料转为零维石墨烯量子点方面开展了研究。
石墨烯量子点具有边缘效应和量子效应，它的电子、光电特性因GQDs的大小和官能团不同而不同。石墨烯量子的这种特性使得其在太阳能电池方面也有相关的应用。
采用GQDs与Cs2CO3混合材料作为太阳能电池器件缓冲层，用于ITO/GQDs-Cs2CO3/P3HT:PCBM/V2O5/Au结构，光电能量转化效率达到3.23%。
利用石墨烯量子点独特的能带结构，以及光产生的电子空穴对在结的表面能够有效形成分离的特点，研制出基于c-Si/GQDs异质结的太阳能电池，光电能量转换效率达到6.63%。
采用电解石墨方式制备GQD，以GQD为受体材料与给体材料P3HT结合作为有机太阳能的活性层，应用于ITO/PEDOT:PSS/P3HT:GQDs/Al结构，光电能量转化效率为1.28%。
通过还原氧化石墨烯得到GQD，并将GQD加入PTB7/PC71BM作为太阳能电池的活性层，光电能量转换效率达到7.6%。
采用双壁碳纳米管裁剪获得尺寸均匀分布的石墨烯量子点DGQs，制作了P3HT:PCBM:GQDs三元体系聚合物太阳能电池，光电能量转换效率达到5.24%。
由于GQD独特的能带结构有助于共混结构薄膜的电荷输运，提高了太阳能电池的光电能量转换效率。
石墨烯在有机发光二级管中的应用
石墨烯的高透过率使其适合于作为有机发光二级管（OLED）的透明导电电极。石墨烯层数越少透过率越高，但表面电阻也越高，单层石墨烯的方块电阻高达600Ω/sq，而功函数只有4.30 eV。
通过将石墨烯与无机介质材料或聚合物半导体材料混合，可以使石墨烯从介电材料中获得载流子，从而降低表面电阻率，使石墨烯作为显示器件的透明导电电极成为可能。
通过在石墨烯表面添加氧化钛、PEDOT:PSS混合物，将石墨烯的方块电阻降低为86Ω/sq，并将功函数提高至5.12 eV，基于该复合透明导电电极制作的OLED器件，其电流效率与以ITO为电极的OLED器件几乎同等。
在石英玻璃上旋涂7 nm厚的功能化石墨烯水溶性液体，热处理后作为OLED器件的阳极，制作了graphene/PEDOT:PSS/NPD/Alq3/LiF/Al结构的OLED器件，开启电压4.5 V，当电压达到11.7 V时其亮度为300 cd/m2。
在石墨烯表面采用热蒸发方式制备MoO3金属氧化物作为OLED的电极，获得4层掺杂的石墨烯，方块电阻为30Ω/sq。
采用graphene/MoO3/CBP顺序结构有利于阳极电荷有效注入OLED器件中，而相比ITO薄膜，石墨烯层低的光吸收降低了电极光吸收，从而提高了器件的电流效率。
若是在PET基底上转移CVD化学气相淀积制备石墨烯薄膜，在经过硝酸处理的石墨烯薄膜上喷涂80 nm的PEDOT:PSS，150℃热处理后获得石墨烯/PEDOT:PSS复合导电薄膜，方块电阻为350Ω/sq。
薄膜电极制作出柔性橙黄色有机发光二极管器件，电压12 V时，器件的电流效率最大值为0.9 cd/A，在10 mm的弯曲曲率半径下弯曲100次后，器件的发光亮度无明显改变。
采用CVD化学气相淀积方法制备石墨烯，磁控溅射银及掺铝氧化锌，在PET衬底上制作了石墨烯/银/掺铝氧化锌复合结构的柔性电极，发现制作的绿光有机发光二级管器件获得1.46 cd/A的高电流效率，经过10 mm弯曲测试后仍然具有稳定的发光性能。
而将氧化石墨烯作为电子传输层，与作为发光层的Alq3共蒸镀掺杂制作的有机发光器件，发光亮度是无掺杂器件的1.2倍，电流效率比无掺杂器件高1倍。
石墨烯在场致发射器件中的应用
石墨烯具有大长径比、高电导率和特殊的片状结构等特点，特别是石墨烯纳米片具有一维尖锐的刀口状边缘，电场增强系数大。
因此石墨烯也被应用在基于量子隧穿效应的场致发射（FED）器件中作为电子传导与电场发射的材料。
采用石墨烯与二氧化锡复合材料作为场发射阴极，结果表明石墨烯改善了二氧化锡纳米材料的场发射特性。
采用石墨烯纳米片和碳纳米管混合物作为场发射材料，获得稳定的场发射性能，发射电流密度大于20 mA/cm2。
涂覆有石墨烯的四针型氧化锌呈现出比纯四针型氧化锌更低的工作电压，更好的稳定性和更均匀的发射，氧化石墨烯的引入提高了氧化锌与电极之间的机械联接和电子传导，因此提高了场发射性能。
利用悬浮石墨烯薄膜作为表面传导的场发射器件，悬浮的石墨烯平行于栅电场导致石墨烯边缘产生强电场，通过在四针型氧化锌纳米结构上淀积氧化镁薄膜使器件在小于150 V的低工作电压下获得30%的高发射效率。
结论
总的来说，石墨烯由于其高透过率、高电子迁移率、大比表面积等特性，使其在光电器件方面具有广阔的应用前景，目前已有大量的应用研究。
石墨烯相比其他材料的独特优势，但随着对于石墨烯自身特点认识的进一步深入，在光电应用方面的一些不足也显现出来。
比如在OLED应用中与有机材料功函数不匹配的问题等，这些问题还需要加大研究力度，从材料、器件等不同角度提出更多的技术方案予以解决。
总体而言，石墨烯与光电器件的结合有望能够突破光电技术瓶颈，是一个极具前景的新研究领域。对于此事，你有什么不同的看法呢？
参考文献：《石墨烯在光电器件中的应用》、《石墨烯的研究与应用》