喷墨打印功能墨水的制备及应用研究

来源 :武汉理工大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:yolanda0104
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喷墨打印技术,是以计算机控制技术为基础,集精密机械工艺、软件信息技术和精细化工技术为一体的先进印刷技术。喷墨打印技术具备打印精度高、沉积速度快、打印图案多样化、打印过程工艺简单等优点,是当前最具市场潜力的功能材料制造技术之一。喷墨墨水的制备和喷墨打印工艺参数的调控是喷墨打印技术应用的核心环节。本文以钴蓝玻璃墨水、银浆墨水和钙钛矿墨水为主线,分别研究了不同喷墨墨水的制备、组成及墨水的喷印适性之间的相互关系;并探究了不同喷墨墨水的打印工艺参数与器件性能之间的调控机制的差异,旨在为喷墨打印制备新型功能材料提供理论依据和经验指导。论文的主要研究内容与结论如下:(1)采用Pechini化学合成法,成功制备了Zn2+/Mg2+共取代Co2+的复合钴蓝色料ZnxMgyCo0.5Al2O4(x+y=0.5),揭示了Zn2+/Mg2+的相对含量与钴蓝色料性能之间的关系。结果表明:Zn2+/Mg2+共取代了CoAl2O4尖晶石结构中部分Co2+,形成置换型固溶体结构;与Mg2+相比,Zn2+能更有效抑制体系产生Co3O4杂质晶相,并促进游离Al2O3生成尖晶石。当Zn2+/Mg2+的摩尔比为0.3:0.2时,复合钴蓝色料Zn0.3Mg0.2Co0.5Al2O4的结晶度最高,光学性质优异,色料蓝色的色彩饱满度和明亮度最高。(2)采用超声波辅助、磁力搅拌的方式,成功制备了满足喷墨打印技术要求的钴蓝玻璃墨水。实验发现:钴蓝初级色料与低熔点玻璃粉粘接剂的最优质量配比为91:9,最佳球磨工艺为转速500 rpm,球磨时间16 h。钴蓝玻璃墨水的固含量为35 wt%,粘度为18.21 mPa·s,表面张力为29.18 mN·m-1,pH为7.5,适用于按需式喷墨打印系统。钴蓝墨水层在650℃条件下退火10 min得到钴蓝釉层。分析该钴蓝釉层样品可知:钴蓝初级色料均匀分散在低熔点玻璃基质中,且釉层表面及内部不存在明显的气孔、龟裂和色差等缺陷。(3)采用高通量筛选法,比较分析了PVP、F-127、SDS和柠檬酸三钠四种稳定剂,对于化学还原制备纳米银粉的颗粒尺寸控制作用的差异,并成功制备了满足喷墨打印技术要求的银浆墨水。实验表明:PVP稳定剂具有分子长链的空间位阻和分子链端的静电位阻的共同作用,对银纳米微粒的尺寸控制作用最强。银浆墨水的固含量为5 wt%,粘度为12.32 mPa·s,表面张力为27.11 mN·m-1及pH为9.0。将银浆墨水进行喷墨打印测试,当喷墨打印层数为50层时,所得银线最均匀致密,导电性最好,最小方阻为0.86?/□。(4)采用喷墨打印银网电极取代ITO电极,成功制备了ITO-free钙钛矿太阳能电池。结果表明:聚乙酸乙烯酯作为玻璃表面修饰材料,能有效改善银浆墨水在玻璃表面的成膜性能。优化的喷墨打印工艺参数为:点间距32μm,喷嘴数量9个,退火温度220℃及退火时间20 min;所得银网电极厚度最薄为300 nm,方块电阻最小为56 m?/□。通过优化反溶剂过程和电子传输层材料,钙钛矿成膜质量与对应器件稳定性得到改善,最终获得基于银网电极的MAPbI3和Cs0.02MA0.6FA0.38PbI2.975Br0.025钙钛矿太阳能器件的效率分别为1.48%和3.7%。(5)首次利用喷墨打印技术成功制备了二维钙钛矿BA2MA3Pb4I13活化层。结果表明:BA2MA3Pb4I13前驱液中溶剂的挥发速率,是影响二维钙钛矿膜层析晶、厚度及形貌的最主要因素。优化后的打印工艺参数如下:点间距40μm,打印层数1层和基底沉积温度30℃。优化BA2MA3Pb4I13前驱液的浓度可知:当浓度为0.8 mol/L时,喷墨打印BA2MA3Pb4I13二维钙钛矿太阳能器件,最佳光电转换效率为8.77%。
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