材料沉积喷墨打印及
涂层系统解决方案
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随着能源需求与消耗不断增加，新能源的开发和利用受到各国的重视。利用光生伏特效应直接将太阳能转化为电能的太阳能电池成为国内外研究的热门项目。人们采用各种印刷技术用来制备太阳能电池，其中，喷墨打印技术作为一种非接触式的数字成型技术，具有材料利用率高、成本低、适用于柔性基底沉积等特点而受到广泛关注。喷墨打印技术被认为是新一代太阳能电池制备技术。 在过去的十年中，喷墨印刷技术已经被视为一种精密的微分配工具。今天，该工具被广泛应用于制造和仪器应用。MicroFab作为压电喷墨打印技术的先驱者，在能源打印方面有着非常丰富的经验和技术积累。MicroFab及客户们正在开发许多替代能源应用，包括有机太阳能电池、硅太阳能电池导体、印刷电池和燃料电池催化剂。 常见太阳能电池主要有晶体硅太阳能电池、薄膜硅太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、碲化镉太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池等。通常，太阳能电池包括吸收层和电极层。吸收层的作用是吸收太阳光，并将其转化为电子-空穴对，在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流；电极的作用则是将产生的光电流导入外电路。为了进一步提高太阳能电池的光电转换效率，通常还有缓冲层和减反层等。 目前，绝大多数商用太阳能电池都是采用丝网印刷的方式来制备金属电极，但丝网印刷存在几点不足：一是印刷过程中，丝网与基底（硅片）接触，容易造成硅片的破损；二是丝网印刷往往造成浆料的浪费。因此，喷墨打印技术在制备太阳能电池栅线方面越来越受重视。 中科院苏州纳米所曾采用MicroFab公司的Jetlab®Ⅱ设备打印出钙钛矿太阳能电池的透明纳米银线上电极，并实现了全溶液法制备钙钛矿太阳能电池的制备。并得到了14.17%的高功率转换效率和21.2%的平均透光率的钙钛矿太阳能电池。 实验中的纳米银线（AgNW）平均直径为35nm，长度为15μm，在打印过程中为了避免堵塞喷头，用异丙醇将其稀释至1mg/mL，打印速度为16mm/s。实验中通过改变打印时间来实现银电极的透明度和导电率的平衡。 通过一步涂覆法制备钙钛矿太阳能电池根据先前报告的方法制备结构倒置的平面钙钛矿太阳能电池。通过在去污剂、去离子水、丙酮和异丙醇中进行超声波处理，接着进行30分钟的紫外线-臭氧（UVO）处理，依次清洁氧化铟锡玻璃。 将PEDOT:PSS溶液旋涂在ITO薄膜上，然后140℃退火处理10min。 PSSNa溶液旋涂法制备薄膜，在140℃退火处理5min。 将甲基碘化铵（MAI，381.7mg）和氯化铅（氯化铅，222.5mg，99%）在无水二甲基甲酰胺（1mL）中以60℃过夜以形成钙钛矿前体溶液。 用Jetlab®Ⅱ喷墨打印系统将异丙醇分散体中的AgNW直接打印到PC61BM或PC61BM/PEI上，制备了带有AgNW电极的半透明钙钛矿太阳能电池。 最后，在80℃下对印刷有银纳米线电极的太阳能电池进行退火。保持10分钟。 MicroFab研究团队曾使用Jetlab®4喷墨打印系统研究有机太阳能电池器件。这种类型的太阳能电池是基于一层结构，其中有源层由混合的电子供体和电子受体材料。对体异质结太阳能电池性能的关键参数是供体/受体比，薄膜厚度，以及产生的薄膜的形态。特别地，形态对于有机太阳能电池的效率是非常重要的，因为激子必须在形成后的几纳米内到达供体-受体界面。因此，良好的供体和受体材料的混合是一个良好的设备功能所必需的。除供体/受体比外，影响纳米形貌的最重要参数是所使用的加工溶剂、溶质浓度和薄膜制备方法。通过喷墨印刷薄膜，系统研究了油墨成分、基材性能以及不同印刷参数对薄膜性能的影响，以一种快速、可复制、简单、材料效率高的方式进行喷墨印刷。喷墨印刷作为一种非接触工艺，还可以实现大面积和卷对卷（R2R）加工。因此，一旦确定了制备有机太阳能电池的合适候选材料，喷墨打印也可以用来制备薄而均匀的活性材料层。 总之，喷墨打印技术是一种原材料利用率高，低成本且工艺简单非接触式的制造技术，并且能够与卷对卷技术相结合，实现器件的大面积制造。从太阳能电池制造角度考虑，喷墨打印技术将是未来的主流。
在ITO/玻璃上喷墨打印有机光伏器件。上图显示了一个完整的太阳能电池装置，阴极作为背电极。
多家机构的研究人员在开发基于喷墨的燃料电池制造工艺。具体活动包括：控制昂贵催化剂的沉积；印刷聚合物膜材料；使用组合方法开发新材料；和图案化粘合剂/密封剂。MicroFab的开发活动包括印刷纳米粒子墨水，功能聚合物，粘合剂和3D互连结构。 喷墨技术在燃料电池制造中的一些优势包括： 铂等贵重金属浪费少； 低成本沉积工艺； 高精准度; 直接写入，数据驱动的过程； 非接触式印刷； 可扩展到生产； 允许组合方法； 允许在保形表面上打印。
