一种纳米银3d喷墨导电墨水及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种喷墨导电墨水制备方法，尤其是设及一种太阳能电池用纳米银3D 喷墨导电墨水及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 喷墨打印技术是一种无接触、无压力、无印版的传统印刷技术，常规用在纸质基材 的字体、图案打印上，其图案一般为二维形态，喷印材料为碳基墨水或有机、无机盐材料的 彩色墨水。随着快速成型技术与打印技术的结合，出现了=维打印技术(3的T印），可W将各 种有机、无机功能材料无掩膜、非接触地逐层打印堆积于基材表面，形成特殊形态结构的立 体形状，可W是功能器件、零件、模型，甚至是人体器官或骨骼等。使用3的T印技术能节省原 材料，实现从电脑设计图案直接成型，缩短了研发周期，能快速、灵活地更改设计。打印机本 身的制造相对容易，而选择何种适合打印的材料实现目标功能，成为3D打印技术发展的关 键。
[0003] 太阳能电池直接将太阳光转化为电力，是一种清洁能源。随着太阳能电池光电转 换效率的提升，光伏发电的成本在阳光充足地方已接近火力发电成本，国际能源署预测太 阳能发电量在2050年约占全球发电量的16%，将是未来能源获取的主要形式之一。太阳能 电池有晶体娃太阳电池、薄膜太阳电池和有机太阳电池等，其中晶体娃太阳电池占整个太 阳能电池市场的90% W上。晶体娃太阳电池的电极是晶娃太阳电池的关键材料，一般采用 丝网漏印银浆然后高溫烧结成型的方法形成电极，银浆主要由2-3微米的球形银粉和玻璃 粉及有机物混合而成。银电极在电池表面呈H型指状分布，细线（细栅)收集电流，粗线（主 栅)导出电流。银电极在正面所占的面积，决定了受光面的大小，与太阳电池光电转换效率 成反比，因此，遮光面积应尽可能小，细栅和主栅尽可能窄；银电极的内阻应尽可能低W提 高输出效率，在体电阻率相同情况下，栅线尽可能高，增加横截面积W降低电极内阻；电极 与电池表面之间的接触电阻大小应尽可能低，一般与电极原始颗粒大小成正比。
[0004] 丝网漏印技术中，网板的开孔约30-45微米，浆料单次印刷烧结后，宽度在50-60微 米甚至更宽，高度一般在12-20微米，其高度与宽度的比值在0.4W下，而且由于印刷网孔堵 塞，有电极断线的可能性。如果采用喷墨打印技术，逐层打印堆积成型，可W形成宽度30-50 微米、高度30-50微米的细栅线，高宽比可W做到1，可W降低遮光面积、减少电极内阻并提 高转换效率，同时也降低了银浆料耗量。其成型机理是，喷墨打印头将墨水喷印到基材电池 片上，由于基台加热原因电池片表面溫度在120-200°C，墨滴喷射到电池片表面溶剂迅速挥 发，剩下的固体颗粒在表面堆积，多次在同一地方喷印，栅线就会逐步增高而线宽保持不 变。中国发明专利，申请公布号CN104752530A，阐明了运种3D打印制作电极方法及其优点。
[0005] 传统的银墨水一般制造于水性体系，譬如中国发明专利，申请公布号 CN103911047A，公布了一种可低溫固化的纳米银墨水及其制备方法，其特点是将纳米银颗 粒溶于溶剂中，加入分散剂、表面活性剂、润湿剂和胶粘剂后揽拌均匀得到乳液，使用0.45 微米的混合纤维素滤膜过滤即得到可打印墨水。该墨水的溶剂体系不适合高溫3D打印条 件，而且采用普通的揽拌方式很难获得分散均匀的墨水，会存在大量聚团并影响储存稳定 和后期喷印。再如，中国发明专利，申请公布号CN103602145A，公布了一种用于印刷电路的 纳米银墨水，其特点在于含有环氧树脂和固化剂，可W在低溫下固化，获得具有导电性的线 路，其溶剂为水性体系，不适用于高溫3D打印正面银电极，并且该专利没有提及墨水的制备 方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，而提供一种生产成本低、 工艺设备简单、产品具有高分散、高稳定性的纳米银3D喷墨导电墨水及其制备方法。
[0007] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0008] 一种纳米银3D喷墨导电墨水，采用W下组分及重量份含量制备得到： 纳米银颗粒 1-55、 有机溶剂 40-99、
[0009] 分散剂 化i-U)、 表面活性剂 0.1-5、 氧化物组分 化1-10。
[0010] 所述的纳米银颗粒重量份含量优选为35-45,更加优选为40,粒径范围为5-lOOnm， 优选为40-60nm。纳米银颗粒的粒径尺寸应远小于喷印设备中打印头的喷嘴直径，保证墨水 中的固体颗粒不会将喷嘴堵塞，影响喷印的连续性，从而大大提高产品的质量W及生产效 率。纳米银与块状银相比，有更大的比表面积，单位面积的原子数更多，单位体积的粒子数 更多，在烧结过程中，颗粒与颗粒之间融合，表面消失，如果粒径过小，会造成电极体内有大 量空桐，过小的纳米银也更容易团聚造成堵塞，本发明尤其是优选粒径40-60nm的纳米银具 有优异的效果。对于固体含量，含量低不利于提高银层堆积效率，过高则墨水中单位体积内 银粒子数过多，容易形成团聚，本发明优选的纳米银颗粒重量份为35-45。
[0011] 所述的有机溶剂的沸点为120-250°c，表面张力为20-35dyn/cm。该墨水溶剂区别 于常规墨水，与其工艺密切相关。该墨水的喷印堆积溫度在120-200°C，采用常规墨水体系， 墨滴会在基材表面爆沸，不能成型；如果选用高沸点溶剂，墨滴会在基材表面扩散，造成线 条过宽，从而影响电池的转换效率。表面张力过低，需要调低喷印头电压，有可能使墨滴在 喷射过程中雾化，喷头表面和喷头面板会聚积墨水影响正常喷印；表面张力过高，需要提高 喷印头的电压，有可能出现飞墨现象和引起喷头寿命降低。
[0012] 所述的有机溶剂选自乙二醇单下酸、二乙二醇单下酸、二乙二醇二下酸、二乙二醇 二甲酸、二乙二醇二乙酸或松油醇的一种或多种。
[0013] 所述的分散剂选自聚乙締化咯烧酬、聚乙締醇、聚乙二醇、聚酷胺、聚氨醋、明胶或 阿拉伯树胶中的一种或多种。分散剂使纳米粉体颗粒带有一定的同性电荷而互相排斥，从 而稳定悬浮于溶剂体系中。
[0014] 所述的表面活性剂选自曲拉通、油酸、聚乙締化咯烧酬、烷基酪聚氧乙締酸-10、十 二烷基横酸钢、聚丙締酷胺、吐溫、酸改性聚二甲基硅氧烷或=乙醇胺中的一种或多种。表 面活性剂用于调整墨水表面张力，适合喷墨打印要求。
[0015] 氧化物组分的粒径分布在IOOnmW内，优选为40-60nm，更加优选为50nm。
[0016] 氧化物组分的成分选自饥 〇-Si〇2-B2〇3、Te〇2-Pb〇-Si〇2 或 Bi2〇3-B2〇3-Si〇2 的一种或 多种。
[0017] (1)将有机溶剂与分散剂混合，升溫至70-100°C，揽拌I-Smin至混合物为透明溶 液；
[0018] (2)将步骤（1)所得透明溶液的溫度降至20-25°C，加入纳米银颗粒，揽拌30min后， 打开底部的出口阀使混合液流至下部的狭长反应管内，打开超声棒进行超声。超声波振动 棒与反应蓋管壁的距离是超声棒直径的3-5倍，超声波振动棒与揽拌组件的距离大于揽拌 奖单页直径的1.5倍。当超声振动棒直接插入液体，超声波直接作用于液体内部时，会产生 超声空化效应，在其作用下，被分散的物质内部会产生强大的爆破、对流、揽拌、破碎、混合 现象，从而达到均匀分散的目的。若超声振动棒所在位置与管壁距离过小，超声波直接作用 于管壁上，其对分散液产生的空化效应有所限制;若距离过大，由于超声波空化在振动棒的 周围产生，且能量非常均匀的分布在棒的周围，则空化效应在距超声棒较远范围处会有所 下降，导致整体的分散效果下降。开超声时，同时打开反应管下端的出料阀、循环累、反应蓋 进料阀，通过控制各进、出料口处的控制阀使物料缓慢循环流动，控制物料溫度保持在20-45°C，物料经持续循环、揽拌、超声1-2小时后，向物料中加氧化物组分，继续循环、揽拌、超 声1-2小时，得到纳米银混合液；
[0019] (3)将纳米银混合液与表面活性剂混合，揽拌均匀，控制混合液表面张力为20- 40mN/m，粘度为l-4cP，然后用孔径为0.22皿或0.45皿微孔滤膜过滤，去除沉淀后即得到稳 定的纳米银喷墨导电墨水。
[0020] 纳米银3D喷墨导电墨水可采用喷墨打印的方式承印在不同的硬质基材上。
[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于:采用本发明公开组分制备的导电银墨 水适用于高溫3D打印形成太阳电池银电极的工艺，所制得的墨水具有分散好，室溫环境下 储存稳定的特点，并且大大降低了墨水中团聚颗粒堵塞喷印孔的现象。该方法具有生产成 本低、工艺设备简单、制备过程绿色高效的特点，产品具有高分散、高稳定性。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
[0023] 实施例1
[0024] 取4