一种基于功能化石墨烯的太阳能背铝浆料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于功能化石墨烯的太阳能背铝浆料及制备方法，太阳能背铝浆由65%～73%的铝粉，1%～3%的玻璃粉，含有0.12%～0.15%功能化纯石墨烯的功能化石墨烯分散液，20%～30%的有机载体，3%～5%的助剂和余量稀释剂制备而成；其中，利用偶联剂对氧化石墨烯进行改性，通过偶联剂与氧化石墨烯反应得到改性氧化石墨烯，再对改性氧化石墨烯进行还原，获得所述的功能化石墨烯，功能化石墨烯经超声处理后分散在质量比为5.5～6.5∶1的松油醇和丁基卡必醇中，形成功能化石墨烯分散液，制备方法是将上述原材料混合、研磨、真空脱泡即可。太阳能背铝浆料印刷率高、附着力好，导电性好，抗弯曲性能好及耐候性好。
【专利说明】一种基于功能化石墨烯的太阳能背铝浆料及其制备方法【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能背铝浆料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯具有独特的结构和优异的电学、热学、力学等性能，自从2004年被成功制备出来后，一直是全世界范围内在应用领域中的一个研究热点。石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高100倍的载流子迁移率，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料。石墨烯具有良好的导热性，其导热率可达到5300W.mlT1)，高导电性，其电子迁移率都超过15000m2.V—1.S—1，高强度，可高达IlOGPa和超大的比表面积，可达到2630m2 / g。这些优异的性能使得石墨烯及其复合材料在电化学领域、纳米电子器件、气体传感器、能量存储等领域有广阔的应用前景。
[0003]现有的太阳能背铝浆料印刷率低、附着力不好，导电性不好，抗弯曲性能差、耐候性差，价格低，而石墨烯是单层石墨，原料易得、价格便宜，因此，石墨烯有望代替碳纳米管成为聚合物基碳纳米复合材料的优质填料。石墨烯因其优良的导电、导热性，能够很大程度上提高太阳能电池背铝的综合性能。但由于石墨烯的比表面积大，极易发生团聚，几乎不溶于大多数的有机溶剂，在聚合物基体中的分散性差，因此，石墨烯在聚合物复合材料中的增强效果受到制约，也限制了它在太阳能电池浆料领域的进一步应用。
【发明内容】
[0004]为解决石墨烯在聚合物基体中分散性差，现有太阳能背铝浆料印刷率低、附着力不好，导电性不好，抗弯曲性能差及耐候性差的技术问题，本发明提供了一种基于功能化石墨烯的太阳能背铝浆料及其制备方法。
[0005]解决上述技术问题的`技术方案是:一种基于功能化石墨烯的太阳能背铝浆料，按重量百分比计，由65%~73%的铝粉，I %~3%的玻璃粉，含有0.12%~0.15%功能化纯石墨烯的功能化石墨烯分散液，20%~30%的有机载体，3%~5%的助剂和余量稀释剂制备而成；其中，利用偶联剂对氧化石墨烯进行改性，通过偶联剂与氧化石墨烯反应得到改性氧化石墨烯，再对改性氧化石墨烯进行还原，获得所述的功能化石墨烯，功能化石墨烯烃超声处理后分散在质量比为5.5~6.5:1的松油醇和丁基卡必醇中，形成功能化石墨烯分散液。
[0006]基于功能化石墨烯的太阳能背铝浆料的制备方法的:首先利用偶联剂对氧化石墨烯进行改性，通过偶联剂与氧化石墨烯反应得到改性氧化石墨烯，再对改性氧化石墨烯进行还原，获得所述的功能化石墨烯，功能化石墨烯烃超声处理后分散在质量比为5.5~6.5:1的松油醇和丁基卡必醇中，形成功能化石墨烯分散液；按重量百分比计，将65%~73 %的铝粉，I %~3 %的玻璃粉，含有0.12 %~0.15 %功能化纯石墨烯的功能化石墨烯分散液，20 %~30 %的有机载体，3 %~5 %的助剂和余量稀释剂采用三维混合技术，通过公转和自转产生的剪切力，实现充分混合均匀；最后用三辊机研磨2~3遍，待细度达到10 μ m后，真空脱泡13-17分钟即可。
[0007]进一步的，所述的偶联剂优选A-187、A-1100或A-174 ;其中，功能化石墨烯的制备过程是:利用偶联剂对氧化石墨烯进行改性，通过偶联剂与氧化石墨烯反应得到改性氧化石墨烯:将氧化石墨烯溶于去离子水和无水乙醇的混合溶液中，超声35-45min后将含有偶联剂的无水乙醇在搅拌下缓慢加入，加完后继续反应，得到的糊状产物，然后用无水乙醇洗涤，以除去多余的偶联剂，再用去离子水洗涤，经过滤后用烘箱烘干；再对其进行还原，即将改性后的氧化石墨烯置于陶瓷坩埚中，后放入马弗炉中，研磨分散后获得功能化石墨烯。
[0008]进一步的，所述的铝粉由重量比为2.5?2.65:1的球状铝粉和球形铝粉组成，其中，球状招粉的粒径大小为4?7 μ m,球形招粉的粒径大小为I?3 μ m。
[0009]进一步的，按重量百分比计，玻璃粉由25-35%氧化铋、5-15%氧化硼、21-39%氧化硅、5-30%氧化锌、1-10%氧化铝、1-10%氧化钛、1-10%氧化锑组成，其中玻璃粉的粒径为2?5 μ m，软化点为550?600°C。
[0010]进一步的，有机载体为甲基纤维素、乙基纤维素、改性乙基纤维素中的一种或两种以上与稀释剂的混合物。
[0011]进一步的，助剂包括消泡剂、流平剂、分散剂、触变剂、附着力促进剂和抗氧化剂。
[0012]进一步的，消泡剂选自有机硅类；流平剂选自聚醚改性聚二甲基硅氧烷共聚体类；分散剂选自硬脂酸锌或卵磷脂；触变剂选自氢化蓖麻油、蓖麻油或聚酰胺蜡；所述的附着力促进剂选自酞酸酯类偶联剂或硅烷偶联剂；抗氧化剂选自TNPP、亚磷酸酯类、受阻酚类抗氧剂。
[0013]进一步的，稀释剂选自松油醇、丁基卡必醇、石油醚、200#溶剂油、二乙二醇乙醚醋酸酯、柠檬酸三丁脂中的一种或两种以上的混合物。
[0014]本发明的有益效果是:
[0015](I)由于利用偶联剂对氧化石墨烯进行改性，通过偶联剂与氧化石墨烯反应得到改性氧化石墨烯，再对改性氧化石墨烯进行还原，从而获得功能化石墨烯，该功能化石墨烯不易发生团聚，溶于大多数的有机溶剂，解决了在聚合物基体内石墨烯难以分散的技术难题，使得石墨烯能在太阳能背铝浆料中得到很好的利用，致使该太阳能铝浆料的导电性能好，使太阳能电池的转换效率高。
[0016](2)本发明的背铝浆料具有优异的印刷性能和耐化学性，细线分辨率高达40?50 μ m，可印制很超细的银线。
[0017](3)本发明的背铝浆料对单晶硅、多晶硅电池片等类似基材有极佳的附着力，不会有银粉粒子脱落。
[0018](4)背铝浆料固化物具有优异的柔韧性，能与晶体硅片实现很好的热膨胀匹配，不翘曲。
[0019](5)本发明的背铝浆料稳定性好、耐候性好；可与正面电极浆料共烧结，在烧结后具有表面平滑，附着力高，翘曲低，转换效率高的特优点。
[0020](6)背铝浆料在烧结过程中溶剂呈梯度挥发，避免了单一沸点溶剂在某一温度段过度集中挥发造成气孔，褶皱等质量缺陷。
【具体实施方式】[0021]下面结合【具体实施方式】对本发明进行进一步详细说明。
[0022]按重量百分比计，基于功能化石墨烯的太阳能背铝浆料由65%?73%的铝粉，1%?3%的玻璃粉，含有0.12%?0.15%功能化纯石墨烯的功能化石墨烯分散液，20%?30 %的有机载体，3 %?5 %的助剂和余量稀释剂制备而成。
[0023]所述的铝粉由重量比为2.5?2.65:1的球状铝粉和球形铝粉组成，其中，球状铝粉的粒径大小为4?7 μ m，球形铝粉的粒径大小为I?3 μ m。
[0024]按重量百分比计，玻璃粉由25-35 %氧化铋、5-15%氧化硼、21-39%氧化硅、5-30%氧化锌、1-10%氧化铝、1-10%氧化钛、1-10%氧化锑组成，其中玻璃粉的粒径为2?5 μ m，软化点为550?600°C。
[0025]有机载体为甲基纤维素、乙基纤维素、改性乙基纤维素中的一种或两种以上与稀释剂的混合物。
[0026]助剂包括消泡剂、流平剂、分散剂、触变剂、附着力促进剂和抗氧化剂。消泡剂选自有机硅类；流平剂选自聚醚改性聚二甲基硅氧烷共聚体类，优选BYK?-330或BYK?-333;分散剂选自硬脂酸锌或卵磷脂；触变剂选自氢化蓖麻油、蓖麻油或聚酰胺蜡；所述的附着力促进剂选自酞酸酯类偶联剂或硅烷偶联剂；抗氧化剂选自TNPP、亚磷酸酯类、受阻酚类抗氧剂。
[0027]稀释剂选自松油醇、丁基卡必醇、石油醚、200#溶剂油、二乙二醇乙醚醋酸酯、柠檬酸三丁脂中的一种或两种以上的混合物。
[0028]实施例1。
[0029]首先制备功能化石墨烯分散液，其过程是:利用A-187偶联剂对氧化石墨烯进行改性，通过A-187偶联剂与氧化石墨烯反应得到改性氧化石墨烯:按质量将50份改性氧化石墨烯溶于40份体积比为1:1的去离子水和无水乙醇的混合溶液中，超声40min后将5份浓度为40g / L含有偶联剂的无水乙醇在搅拌下缓慢加入，加完后继续反应18h，得到的糊状产物后用无水乙醇洗涤3次，以除去多余的偶联剂，再用去离子水洗涤5次过滤后用60°C烘箱烘干；经改性后彼此间形成共价键使改性氧化石墨烯的热稳定性显著提高；再对其进行还原，将改性后的氧化石墨烯置于陶瓷坩埚中，放入1060°C马弗炉中，40秒后取出，研磨分散后获得功能化石墨烯；功能化石墨烯经超声处理后分散在质量比5.5:1的松油醇和丁基卡必醇中，形成功能化石墨烯分散液。
[0030]然后制备有机载体，具体的过程是:将75kg的甲基纤维素和175kg的松油醇在60°C加热搅拌均匀，在真空度为-0.02MPa条件下抽真空脱泡9分钟，配制成有机载体。
[0031]在有机载体中加入由重量比为2.5:1的球状铝粉和球形铝粉组成的650kg铝粉、
7.5kg的氧化秘、4.5kg的氧化硼、11.7kg的氧化娃、1.5kg的氧化锌、0.3kg的氧化招、1.5kg的氧化钛、3kg的氧化锑、上述制备得到的含有1.2kg功能化石墨烯的对应质量的功能化石墨烯分散液、3kg的有机硅类、6kg的BYK?-330、4kg的硬脂酸锌、7kg的氢化蓖麻油、5kg的附着力促进剂、5kg的亚磷酸酯类及38.8kg的丁基卡必醇采用三维混合技术,通过公转和自转产生的剪切力，实现充分混合均匀；最后用三辊机研磨2?3遍，待细度达到10 μ m后，真空脱泡17分钟即可。
[0032]实施例2。[0033]首先制备功能化石墨烯分散液，其过程是:利用A-1100偶联剂对氧化石墨烯进行改性，通过A-1100偶联剂与氧化石墨烯反应得到改性氧化石墨烯:按质量将50份改性氧化石墨烯溶于40份体积比为1:1的去离子水和无水乙醇的混合溶液中，超声40min后将5份浓度为40g / L含有偶联剂的无水乙醇在搅拌下缓慢加入，加完后继续反应18h，得到的糊状产物后用无水乙醇洗涤3次，以除去多余的偶联剂，再用去离子水洗涤5次过滤后用60°C烘箱烘干；经改性后彼此间形成共价键使改性氧化石墨烯的热稳定性显著提高；再对其进行还原，将改性后的氧化石墨烯置于陶瓷坩埚中，放入1060°C马弗炉中，40秒后取出，研磨分散后获得功能化石墨烯；功能化石墨烯经超声处理后分散在质量比6.5:1的松油醇和丁基卡必醇中，形成功能化石墨烯分散液。
[0034]然后制备有机载体，具体的过程是:将40kg的乙基纤维素、40kg的改性乙基纤维素和120kg的200#溶剂油在80°C加热搅拌均匀，在真空度为-0.015MPa条件下抽真空脱泡10分钟，配制成有机载体。
[0035]在有机载体中加入由重量比为2.65:1的球状铝粉和球形铝粉组成的730kg铝粉、3.5kg的氧化铋、0.5kg的氧化硼、2.1kg的氧化硅、1.8kg的氧化锌、Ikg的氧化铝、Ikg的氧化钛、0.1kg的氧化锑、上述制备得到的含有1.5kg功能化石墨烯的对应质量的功能化石墨烯分散液、8kg的有机娃类、12kg的BYK?-333、IOkg的卵磷脂、15kg的蓖麻油、2kg的
附着力促进剂、3kg的TNPP及8.5kg的柠檬酸三丁脂采用三维混合技术，通过公转和自转产生的剪切力，实现充分混合均匀；最后用三辊机研磨2?3遍，待细度达到10 μ m后，真空脱泡13分钟即可。
[0036]实施例3。
[0037]首先制备功能化石墨烯分散液，其过程是:利用A-174偶联剂对氧化石墨烯进行改性，通过A-174偶联剂与氧化石墨烯反应得到改性氧化石墨烯:按质量将50份改性氧化石墨烯溶于40份体积比为1:1的去离子水和无水乙醇的混合溶液中，超声40min后将5份浓度为40g / L含有偶联剂的无水乙醇在搅拌下缓慢加入，加完后继续反应18h，得到的糊状产物后用无水乙醇洗涤3次，以除去多余的偶联剂，再用去离子水洗涤5次过滤后用60°C烘箱烘干；经改性后彼此间形成共价键使改性氧化石墨烯的热稳定性显著提高；再对其进行还原，将改性后的氧化石墨烯置于陶瓷坩埚中，放入1060°C马弗炉中，40秒后取出，研磨分散后获得功能化石墨烯；功能化石墨烯经超声处理后分散在质量比6:1的松油醇和丁基卡必醇中，形成功能化石墨烯分散液。
[0038]然后制备有机载体，具体的过程是:将30kg的甲基纤维素、50kg的乙基纤维素、40kg的改性乙基纤维素和80kg的朽1檬酸三丁脂、IOOkg的丁基卡必醇在80°C加热搅拌均匀，在真空度为-0.022MPa条件下抽真空脱泡12分钟，配制成有机载体。
[0039]在有机载体中加入由重量比为2.59:1的球状铝粉和球形铝粉组成的650kg铝粉、2.8kg的氧化铋、0.6kg的氧化硼、2.2kg的氧化硅、3kg的氧化锌、0.5kg的氧化铝、0.1kg的氧化钛、0.8kg的氧化锑、上述制备得到的含有1.5kg功能化石墨烯的对应质量的功能化石墨烯分散液、5kg的有机娃类、6kg的BYK?-333、3kg的硬脂酸锌、4kg的聚酰胺腊、5kg的附着力促进剂、7kg的受阻酚类抗氧剂及8.7kg的柠檬酸三丁脂采用三维混合技术，通过公转和自转产生的剪切力，实现充分混合均匀；最后用三辊机研磨2?3遍，待细度达到10 μ m后，真空脱泡13分钟即可。
[0040]将制备好的实施例1至实施例3的背铝浆在硅太阳能电池生产线上经过丝网印刷、印刷烘干、共烧结形成硅太阳能电池片后，观察太阳能电池片状态并测量翘曲、开路电压(Voc)、短路电流(Isc)、串阻(Rs)、并阻(Rsh)、填充因子(FF)和光转换效率(Eff)等参数。测试结果与未添加石墨烯的铝浆对比检测结果如下表1:
[0041]参见表1，通过对实施例1、2和3的测试，将将实施例的数据与现有的数据进行比对，本发明的太阳能背铝浆综合性能佳。由于利用偶联剂对氧化石墨烯进行改性，通过偶联剂与氧化石墨烯反应得到改性氧化石墨烯，再对改性氧化石墨烯进行还原，从而获得功能化石墨烯，该功能化石墨烯不易发生团聚，溶于大多数的有机溶剂，解决了在聚合物基体内石墨烯难以分散的技术难题，使得石墨烯能在太阳能背铝浆料中得到很好的利用，致使该太阳能铝浆料的导电性能好，使太阳能电池的转换效率高。便于印刷，附着性能好。在实验过程中该款太阳能背铝浆在生产试用游标卡尺量其弯曲度〈1mm，背场光滑，无铝包，铝珠等外观不良现象。组件用EVA粘结铝膜无削离现象。
[0042]实验结果表明，与不加石墨烯的铝浆相比，当功能化石墨烯的含量为0.12%时，复合材料的附着强度提高了约10%，转换效率提高了约0.2。
[0043]
【权利要求】
1.一种基于功能化石墨烯的太阳能背铝浆料，其特征在于:按重量百分比计，由65%~ 73%的铝粉，1%~3%的玻璃粉，含有0.12%~0.15%功能化纯石墨烯的功能化石墨烯分散液，20%~30%的有机载体，3%~5%的助剂和余量稀释剂制备而成；其中，利用偶联剂对氧化石墨烯进行改性，通过偶联剂与氧化石墨烯反应得到改性氧化石墨烯，再对改性氧化石墨烯进行还原，获得所述的功能化石墨烯，功能化石墨烯烃超声处理后分散在质量比为 5.5~6.5: I的松油醇和丁基卡必醇中，形成功能化石墨烯分散液。
2.根据权利要求1所述基于功能化石墨烯的太阳能背铝浆料，其特征在于:所述的偶联剂优选A-187、A_1100或A-174 ;其中，功能化石墨烯的制备过程是:利用偶联剂对氧化石墨烯进行改性，通过偶联剂与氧化石墨烯反应得到改性氧化石墨烯:将改性氧化石墨烯溶于去离子水和无水乙醇的混合溶液中，超声35-45min后将含有偶联剂的无水乙醇在搅拌下缓慢加入，加完后继续反应，得到的糊状产物，然后用无水乙醇洗涤，以除去多余的偶联剂，再用去离子水洗涤，经过滤后用烘箱烘干；再对其进行还原，即将改性后的氧化石墨烯置于陶瓷坩埚中，并放入马弗炉中，研磨分散后获得功能化石墨烯。
3.根据权利要求1所述的基于功能化石墨烯的太阳能背铝浆料，其特征在于:所述的铝粉由重量比为2.5~2.65:1的球状铝粉和球形铝粉组成，其中，球状铝粉的粒径大小为 4~7 ii m,球形招粉的粒径大小为I~3 ii m。
4.根据权利要求1所述的基于功能化石墨烯的太阳能背铝浆料，其特征在于:按重量百分比计，玻璃粉由25-35%氧化铋、5-15%氧化硼、21-39%氧化硅、5-30%氧化锌、1_10%氧化铝、1-10%氧化钛、1-10%氧化锑组成，其中玻璃粉的粒径为2~5iim，软化点为550~ 600。。。
5.根据权利要求1所述的基于功能化石墨烯的太阳能背铝浆料，其特征在于:有机载体为甲基纤维素、乙基纤维素、改性乙基纤维素中的一种或两种以上与稀释剂的混合物。
6.根据权利要求1所述的基于功能化石墨烯的太阳能背铝浆料，其特征在于:助剂包括消泡剂、流平剂、分散剂、触变剂、附着力促进剂和抗氧化剂。
7.根据权利要求6所述的基于功能化石墨烯的太阳能背铝浆料，其特征在于:消泡剂选自有机硅类；流平剂选自聚醚改性聚二甲基硅氧烷共聚体类；分散剂选自硬脂酸锌或卵磷脂；触变剂选自氢化蓖麻油、蓖麻油或聚酰胺蜡；所述的附着力促进剂选自酞酸酯类偶联剂或硅烷偶联剂；抗氧化剂选自TNPP、亚磷酸酯类或 受阻酚类抗氧剂。
8.根据权利要求1或5所述的基于功能化石墨烯的太阳能背铝浆料，其特征在于:稀释剂选自松油醇、丁基卡必醇、石油醚、200#溶剂油、二乙二醇乙醚醋酸酯、柠檬酸三丁脂中的一种或两种以上的混合物。
9.一种基于功能化石墨烯的太阳能背铝浆料的制备方法，其特征在于:首先利用偶联剂对氧化石墨烯进行改性，通过偶联剂与氧化石墨烯反应得到改性氧化石墨烯，再对改性氧化石墨烯进行还原，获得功能化石墨烯，功能化石墨烯烃超声处理后分散在质量比为.5.5~6.5: I的松油醇和丁基卡必醇中，形成功能化石墨烯分散液；按重量百分比计，将 65%~73%的铝粉，1%~3%的玻璃粉，含有0.12%~0.15%功能化纯石墨烯的功能化石墨烯分散液，20%~30%的有机载体，3%~5%的助剂和余量稀释剂采用三维混合技术，通过公转和自转产生的剪切力，实现充分混合均匀；最后用三辊机研磨2~3遍，待细度达到10 ii m 后，真空脱泡13-17分钟即可。
10.根据权利要求9所述的基于功能化石墨烯的太阳能背铝浆料的制备方法，其特征在于:所述的偶联剂优选A-187、A-1100或A-174 ;其中，功能化石墨烯的制备过程是:利用偶联剂对氧化石墨烯进行改性，通过偶联剂与氧化石墨烯反应得到改性氧化石墨烯:将改性氧化石墨烯溶于去离子水和无水乙醇的混合溶液中，超声35-45min后将含有偶联剂的无水乙醇在搅拌下缓慢加入，加完后继续反应，得到的糊状产物，然后用无水乙醇洗涤，以除去多余的偶联剂，再用去离子水洗涤，经过滤后用烘箱烘干；再对其进行还原，即将改性后的氧化石墨烯置于陶瓷坩埚中，放入马弗炉中，研磨分散后获得功能化石墨 烯。
【文档编号】H01B1/22GK103500597SQ201310461174
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】陈伟, 朱鑫 申请人:广州市尤特新材料有限公司