5、新一代太陽能電池
石墨烯被寄予厚望的應(yīng)用實(shí)例之一是轉(zhuǎn)換效率非常高的新一代太陽能電池。展望其今后的應(yīng)用領(lǐng)域，首先是透明導(dǎo)電膜領(lǐng)域，其次是中間電極等領(lǐng)域。因?yàn)槭┎粌H在代替ITO方面的性能或其柔性較高，而且只有石墨烯透明導(dǎo)電膜才能實(shí)現(xiàn)對(duì)于太陽能電池來說非常重要的特性。這個(gè)特性就是對(duì)于包括中遠(yuǎn)紅外線在內(nèi)的所有紅外線的高透明性。盡管紅外線占據(jù)了相當(dāng)一部分的太陽輻射能量，但現(xiàn)有的大部分太陽能電池都無法把紅外線作為能量源來有效利用。這是因?yàn)槌擞行У墓怆娹D(zhuǎn)換本身不易實(shí)現(xiàn)之外，迄今多用于透明電極的ITO和FTO對(duì)紅外線的透射率實(shí)際上也比較低。
如果只要對(duì)于紅外線確保透明性就足夠了的話，材料的開發(fā)并不困難。不過，這種材料大多在原理上會(huì)面臨導(dǎo)電率大幅降低的問題。石墨烯幾乎是唯一一種能夠避免這種問題的材料。其原因在于石墨烯具有非常高的載流子遷移率。因此，即使載流子密度非常小，也能確保一定的導(dǎo)電率。這種材料是非常罕見的。
最近有些研究機(jī)構(gòu)正在積極進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換層材料的開發(fā)，一些紅外線高效轉(zhuǎn)換技術(shù)也相繼面世。這樣一來，如果可以利用對(duì)紅外線透明度也較高的透明導(dǎo)電膜，那么就可期待實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。
目前，在這些開發(fā)活動(dòng)中處于領(lǐng)先地位的廠商之一是富士電機(jī)控股株式會(huì)。該公司目前正在新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)的“革新性太陽能發(fā)電技術(shù)研究開發(fā)”項(xiàng)目中，積極開發(fā)采用石墨烯的太陽能電池用透明導(dǎo)電膜。
不過，富士電機(jī)事實(shí)上已經(jīng)放棄了迄今一直在研發(fā)的使用氧化石墨烯制作石墨烯片的工藝。時(shí)作為替代方法導(dǎo)入了三星公司等也采用的熱CVD法。[散戶之友、收集整理]通過一系列自主改進(jìn)得到的2層石墨烯片的“導(dǎo)電率將高達(dá)ITO的幾倍，并且能夠確保90％的光透射率等，已經(jīng)達(dá)到能夠充分滿足性能指標(biāo)的水平”。
有待解決的課題是量產(chǎn)性問題。“我們希望再能降低CVD法的工藝度。同時(shí)需要確立該方法中所使用的銅的再利用工藝。另外，還需要確認(rèn)與太陽能電池半導(dǎo)體層的相容性等”。
6、其它應(yīng)用
石墨烯還可以應(yīng)用于晶體管、觸摸屏、基因測序等領(lǐng)域，同時(shí)有望幫助物理學(xué)家在量子物理學(xué)研究領(lǐng)域取得新突破。中國科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯上無法生長，而人類細(xì)胞卻不會(huì)受損。利用這一點(diǎn)石墨烯可以用來做繃帶，食品包裝甚至抗菌T恤；用石墨烯做的光電化學(xué)電池可以取代基于金屬的有機(jī)發(fā)光二極管，因石墨烯還可以取代燈具的傳統(tǒng)金屬石墨電極，使之更易于回收。這種物質(zhì)不僅可以用來開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、制造出超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至能讓科學(xué)家夢寐以求的2.3萬英里長太空電梯成為現(xiàn)實(shí)。
石墨烯這一目前世界上最薄的物質(zhì)首先讓凝聚態(tài)物理學(xué)家們驚喜不已。由于碳原子間的作用力很強(qiáng)，因此即使經(jīng)過多次的剝離，石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)依然相當(dāng)完整，這就保證了電子能在石墨烯平面上暢通無阻的遷移，其遷移速率為傳統(tǒng)半導(dǎo)體硅材料的數(shù)十至上百倍。這一優(yōu)勢使得石墨烯很有可能取代硅成為下一代超高頻率晶體管的基礎(chǔ)材料而廣泛應(yīng)用于高性能集成電路和新型納米電子器件中。目前科學(xué)家們已經(jīng)研制出了石墨烯晶體管的原型，并且樂觀地預(yù)計(jì)不久就會(huì)出現(xiàn)全由石墨烯構(gòu)成的全碳電路并廣泛應(yīng)用于人們的常生活中。
石墨烯還具有超高的強(qiáng)度，碳原子間的強(qiáng)大作用力使其成為目前已知的力學(xué)強(qiáng)度最高的材料，并有可能作為添加劑廣泛應(yīng)用于新型高強(qiáng)度復(fù)合材料之中。[散戶之友.收集整理]石墨烯良好的導(dǎo)電性及其對(duì)光的高透過性又讓它在透明導(dǎo)電薄膜的應(yīng)用中獨(dú)具優(yōu)勢，而這類薄膜在液晶顯示以及太陽能電池等領(lǐng)域至關(guān)重要。另外，石墨烯在高靈敏度傳感器和高性能儲(chǔ)能器件方面也已經(jīng)展示出誘人的應(yīng)用前景。可以說，石墨烯的出現(xiàn)不僅給科學(xué)家們提供了一個(gè)充滿魅力與無限可能的研究對(duì)象，更讓我們對(duì)其充滿了期待，也許在不久的將來，石墨烯就會(huì)為我們搭建起更加便捷與美好的生活。
總之，石墨烯幾乎完全透明，卻極為致密，即使原子尺寸最小的氦氣也無法穿透。這些性狀可由量子物理學(xué)加以解釋。石墨烯與塑料混合，可望形成導(dǎo)體，用于輸送電子，同時(shí)具備更強(qiáng)的機(jī)械性能和耐熱性能。石墨烯與塑料復(fù)合，可以憑借韌性，創(chuàng)制“新型超強(qiáng)材料”，兼具超薄、超柔和超輕特性。在特定領(lǐng)域內(nèi)，如電子行業(yè)，石墨烯適合制作透明觸摸屏、透光板和太陽能電池。如用于制造晶體管集成電路，石墨烯可望超越硅晶體，突破現(xiàn)有物理極限，使電腦運(yùn)行速度更快、能耗降低。
●掘金萬億石墨烯產(chǎn)業(yè)
石墨烯是一種由碳原子按照六邊形進(jìn)行排布并相互連接而成的碳分子，其結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。石墨烯具有高導(dǎo)電性、高韌度、高強(qiáng)度等特點(diǎn)，在電子、航天軍工、新能源、新材料等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。
石墨烯在電子行業(yè)的應(yīng)用中研發(fā)的方向主要有四個(gè)領(lǐng)域。
首先，石墨烯可替代晶硅應(yīng)用在芯片領(lǐng)域，將芯片速度提高到THZ級(jí)別。全球每年半導(dǎo)體晶硅的需求量在2500噸左右，石墨烯如果替代十分之一的晶硅制成高端集成電路，市場容量至少在5000億元以上。
其次，石墨烯制成的鋰離子電池負(fù)極材料能夠大幅提高電池性能。全球每年負(fù)極材料的需求量在2.5萬噸以上，并保持20%以上增長。石墨烯作為負(fù)極材料應(yīng)用在十分之一的鋰離子電池中，其需求量也在250噸以上。
再次，石墨烯制成的超級(jí)電容器，充電時(shí)間只需1毫秒。2010年全球超級(jí)電容市場規(guī)模在50億美元，并保持著20%的增長率，隨著未來超級(jí)電容器的放量，石墨烯的應(yīng)用空間巨大。
最后，石墨烯可以替代ITO作為導(dǎo)電材料制成顯示器件。預(yù)計(jì)2011年全球ITO導(dǎo)電玻璃的需求量在8500萬-9500萬片，石墨烯的替代空間巨大。
產(chǎn)業(yè)化尚需時(shí)間
盡管有著巨大的市場空間，但石墨烯規(guī)模化供應(yīng)和需求均沒有形成，在8-10年內(nèi)無法形成產(chǎn)業(yè)化。
從供應(yīng)上看，行業(yè)仍在量產(chǎn)摸索階段，目前主要的制備方法有微機(jī)械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法和氣相沉積法；其中氧化石墨還原法由于制備成本相對(duì)較低，是目前主要制備方法。
目前國內(nèi)還沒有能夠?qū)崿F(xiàn)石墨批量化生產(chǎn)的企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)，多數(shù)企業(yè)只能小量生產(chǎn)石墨烯，所使用的生產(chǎn)技術(shù)多為氧化還原法，生產(chǎn)出的石墨烯溶液也存在很多技術(shù)上需要突破的問題。
從需求上看，石墨烯沒有形成下游的應(yīng)用和需求，目前最大的應(yīng)用還是為各大科研院校的實(shí)驗(yàn)使用，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用尚需很長的時(shí)間。
石墨烯的高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性及傳熱性等特性能夠在航天軍工、鋰離子電池、超級(jí)電容器等多領(lǐng)域有潛在應(yīng)用，但由于其成本過高，一直都處于研究階段。從目前的技術(shù)發(fā)展來看，最有可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化使用石墨烯的下游行業(yè)是復(fù)合材料領(lǐng)域和顯示技術(shù)領(lǐng)域。
將石墨烯添加到塑料、橡膠、涂料等基體中，可以大幅增強(qiáng)產(chǎn)品的性能，如強(qiáng)度、韌度、導(dǎo)電性及傳熱性等，在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用也是目前石墨烯最大的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
目前的顯示器件中應(yīng)用最廣泛導(dǎo)體材料是氧化銦錫ITO材料，將石墨烯作為導(dǎo)體材料制成顯示器件，將增強(qiáng)器件的韌度，制成可以折疊的薄膜顯示器。業(yè)內(nèi)也預(yù)計(jì)顯示技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用將是下一個(gè)能夠產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域。