CN103897486A

CN103897486A - 薄膜太阳能电池用聚脂基喷墨打印机墨水及其制备方法

Info

Publication number: CN103897486A
Application number: CN201210587859.8A
Authority: CN
Inventors: 张迎晨; 吴红艳
Original assignee: Zhongyuan University of Technology
Current assignee: Zhongyuan University of Technology
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2032-12-31
Also published as: CN103897486B

Abstract

一种柔性或薄膜太阳能电池用喷墨打印机墨水及其制备方法，包括按重量百分比计的下列组分：聚脂树脂溶液（溶液中聚脂树脂固含量为1-10%）0.5-5%；纳米铝粉0.0001-0.1%；黏度调节剂0.1-1%；余量为溶剂。本发明所制作出来的产品，采用喷墨打印技术，喷印到柔性或薄膜太阳能电池上表面，直接提高柔性或薄膜太阳能电池的发电效率。

Description

薄膜太阳能电池用聚脂基喷墨打印机墨水及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种柔性或薄膜太阳能电池用聚酯基喷墨打印机墨水及其制备方法，通过使用该墨水打印在柔性或薄膜太阳能电池入光面的表面，直接提高柔性或薄膜太阳能电池的效率。

背景技术

聚酯，由多元醇和多元酸缩聚而得的聚合物总称,包括饱和聚脂和不饱和聚脂等。聚酯分子结构高度对称，具有一定的结晶取向能力，故而具有较高的成膜性和成型性。主要指聚对苯二甲酸乙二酯(PET),习惯上也包括聚对苯二甲酸丁二酯 (PBT)和聚芳酯等线型热塑性树脂。是一类性能优异、用途广泛的工程塑料。也可制成聚酯纤维和聚酯薄膜。聚酯具有很好的光学性能和耐候性，非晶态的聚酯塑料具有良好的光学透明性。另外聚酯塑料具有优良的耐磨耗摩擦性和尺寸稳定性及电绝缘性。PBT与PET分子链结构相似，大部分性质也是一样的，只是分子主链由两个亚甲基变成了四个，所以分子更加柔顺，加工性能更加优良。合成聚酯树脂时，若通过化学反应引入一些其它成份，可拥有聚酯树脂原本不具备的性能，达到改善和突出某种性能目的，来达到特殊的应用性能要求，目前使用较多的是环氧、丙烯酸、有机硅改性聚酯树脂。不饱和聚脂有室温固化和热固化两种：①室温固化，向上述制得的不饱和聚酯溶液中分别加入引发剂（例如过氧化苯甲酰、环己酮过氧化物等）和促进剂（如N,N-二甲基苯胺、钴盐）,使聚酯液在室温下先形成凝胶,再进行固化。②热固化，可以只加过氧化苯甲酰引发剂，加热至100℃左右而固化。无论是室温固化还是热固化,其反应都是首先由引发剂分解产生的初级自由基引发苯乙烯聚合，形成低聚体的活性自由基，然后再连接到不饱和聚酯主链上的双键上，进行共聚交联反应。此外，也可用紫外线、电子束、γ射线等辐照固化。

在太阳能的有效利用项目当中：光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域。一般太阳能电池的制作主要是以半导体材料为基础，利用光电材料吸收光能后发生光电转换反应发电。根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的太阳能电池；3、以功能高分子材料制备的太阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。

现有技术工作效率最高的是以III-V族半导体无机材料为原材料的产品。例如: 砷化镓/锗单一接面型的量子井陷晶结构，其光电转换效率可达>18 % ；而多重接面量子井陷晶结构之太阳电池，例如: 磷化铟镓/砷化镓/锗，其光电转换效率可高达>30 %。目前应用最广，以硅为主：包括非晶硅，光电转换效率约9 %；多晶硅，光电转换效率约14 %；单晶硅，光电转换效率约17 %。虽然在价格上，VI族元素Si要比III-V族半导体GaAs便宜，但其制造的价格，与高分子有机太阳能电池相比，还是昂贵许多；而在应用上，质轻又无破裂之虞的全塑化有机太阳能电池可经由印刷的加工实现，除价格降低外，更适合可携式电子产品的需求，且在室内或阴天均能正常使用（这是硅质太阳能电池所无法达到的），使得它的实用性及市场应用广度更加提升。

太阳能电池是一项关键技术，会推进更清洁的能源生产。但是太阳能电池的成本问题，降低了太阳能技术的经济竞争力。为克服这个问题，薄膜太阳能电池是目前广泛应用的技术，可以大量减少昂贵半导体材料的使用量，但薄膜太阳能电池的光吸收量较低，性能比不上传统的太阳能电池。

薄膜太阳能模块是由玻璃基板、金属层、透明导电层、电器功能盒、胶合材料、半导体层等所构成的。有机-无机复合太阳能电池是基于有机共轭高分子-无机纳米晶复合材料体系的太阳能电池，因同时具有机高分子材料成膜性好，能级结构及带隙易于调节，可以通过湿法制备低成本、大面积、柔性太阳能电池器件以及无机纳米晶材料高稳定性，高迁移率，可构筑有序纳米结构等优点，而成为近年来太阳能电池领域的研究热点。金属纳米粒子可以引导光更好地进入太阳能电池，防止光逃逸。在传统的“厚膜”太阳能电池中，纳米粒子没有什么效果，因为所有的光线吸收都是通过这种膜，这就依赖它的厚度。然而，对于薄膜而言，纳米粒子就可以发挥很大作用。它们的散射增加了光停留在薄膜中的时间，使总体吸收的光达到一种水平，可以媲美传统的太阳能电池。

铝与银纳米粒子在可见部分的频谱中，可以很好地聚焦光线进入太阳能电池。但是光学共振也会导致纳米粒子吸收光，这就意味着太阳能电池的效率会较低。银纳米粒子共振正好处在太阳能电池关键吸收光谱部分，所以光的吸收是相当可观的。铝纳米粒子共振超出了太阳能电池关键光谱部分。对能量的损耗较小，此外，铝粒子很容易钝化，虽然会改变形状和大小，钝化后纳米粒子属性变化很小。纳米粒子有凹凸不平的表面，散射光线会更多地进入广谱波长范围。这会带来更大的吸收，从而提高电池的整体效率。

喷墨印刷技术可以通过液态有机材料的均匀沉积形成薄膜层，因此，这种技术在理论上能够更好地解决大的光活化物尺寸问题。按需喷墨工艺，可以精确地按所需量将材料沉积在适当位置。由于喷墨系统对材料的利用率非常高，可以降低制造生产成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性或薄膜太阳能电池用聚酯基喷墨打印机墨水及其制备方法，通过使用该墨水打印在柔性或薄膜太阳能电池入光面的表面，直接提高柔性或薄膜太阳能电池的效率。并具经该墨水处理过的柔性或薄膜太阳能电池具有自清洁的作用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的薄膜太阳能电池用聚酯基喷墨打印机墨水，包括按重量百分比计的下列组分：聚脂树脂溶液（溶液中聚脂树脂固含量为1-10%）；纳米铝粉0.0001-0.1%；黏度调节剂0.1-1%；余量为溶剂。

所述的聚脂树脂为不饱和聚脂树脂或不饱和聚脂树脂与环氧树脂、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、有机硅改性树脂中的任意一种。

所述的聚脂树脂为由二元酸(或酸酐)与二元醇经缩聚而制得的不饱和热塑性、热固性树脂。不饱和二元酸或酸酐有顺丁烯二酸酐、反丁烯二酸和四氢化邻苯二甲酸酐等。饱和二元酸或酸酐为邻苯二甲酸酐、间苯二甲酸和己二酸。二元醇是丙二醇、一缩二乙二醇和一缩二丙二醇。作为交联剂的乙烯基单体有苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯和邻苯二甲酸二烯丙酯。这种聚酯在液态乙烯基单体（如18％～40％苯乙烯或苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯的混合物）中的溶液经交联固化，而成为体型结构。聚酯化缩聚反应是在190～220℃进行，直至达到预期的酸值(或粘度)，在聚酯化缩反应结束后，趁热加入一定量的乙烯基单体，配成粘稠的液体，即聚酯树脂溶液。

所述的聚脂树脂为不饱和聚脂，包括邻苯型、间苯型、对苯型、双酚A型、卤代不饱和聚酯、乙烯基酯型等。牌号如191、196、199、2608、902A3、Xm-1、Xm-2、 197、3301、323。本发明中所用的聚酯树脂溶液可以直接向生产厂家订购。

所述的黏度调节剂为N-甲基-2-吡咯烷酮或聚3-甲基噻吩。

所述的溶剂为醇、酯、醚、胺、酰胺、酮或烃中的一种或多种。

优选为墨水中至少含有占墨水质量百分比为20%的酮、20%的酯、10%的醚。

所述的醇为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、戊醇、己醇，或上述醇的氟化醇中的一种或多种。

所述的酮为丙酮、环已酮，甲乙酮、甲异丙酮、甲基乙基酮、二异丁基酮、二丙酮醇、N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。

所述的酯为醇醚酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸1-甲氧基-2-丙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、丙酸甲酯、或丙酸乙酯、二醇醚乙酸酯、丁基乙二醇乙酸酯中的一种或多种。

所述的醚为二乙醚、二丙醚、四氢呋喃、二恶烷、乙二醇乙醚或乙二醇甲醚中的一种或多种。

本发明的墨水中还可以添加表面活性剂、PH调节剂、防腐剂等其他常规添加剂。

本发明的薄膜太阳能电池用聚酯基喷墨打印机墨水的制备方法，包括如下步骤：

（1）将配方量的聚酯树脂溶液、黏度调节剂和溶剂混合，在高速乳化器中处理10-60分钟，转速10000-100000 rpm，加工成均匀混合乳化液；

（2）在以上混合乳化液加工完成后以同样的加工转速环境下，在10-20分钟内将纳米铝粉分批次微量连续加入；

（3）以上乳化液在纳米铝粉完全添加后，再充分乳化10-30分钟；

（4）以上乳化液用300目以上的滤网过滤后既得柔性或薄膜太阳能电池用聚酯基喷墨打印机墨水。

本发明的聚脂型纳米铝粉墨水，该墨水通过喷墨打印设备，既可以使用于薄膜太阳能电池的背光板处，也可以使用于薄膜太阳能电池的入光膜表面，同时也可以使用于薄膜太阳能电池的中间层，提高太阳能电池的光吸收效率。提高太阳能电池的发电效率。

纳米金属铝粒子很容易钝化，虽然会改变形状和大小，钝化后纳米粒子属性变化很小。纳米粒子有凹凸不平的表面，散射光线会更多地进入广谱波长范围。这会带来更大的吸收，从而提高电池的整体效率。金属铝纳米粒子的散射增加了光停留在薄膜中的时间，使总体吸收的光达到一种水平，可以媲美传统的太阳能电池。经使用本发明墨水处理的薄膜太阳能电池比未经本墨水处理的薄膜太阳能电池性能提高3-15%。薄膜太阳能电池使用该墨水后，金属铝纳米粒子可以引导光较好地进入太阳能电池，防止光逃逸。解决传统的“厚膜”太阳能电池中，纳米粒子没有什么效果而所有的光线吸收必需依赖厚度解决的问题。

具体实施方式

实施例1

（1）将0.5Kg聚酯树脂溶液（聚酯树脂固含量10%）（牌号191，温州市中侨高分子材料实业公司）、黏度调节剂（N-甲基-2-吡咯烷酮）0.1Kg、20 Kg N,N-二甲基甲酰胺、20Kg丙酮、20Kg四氢呋喃、39.395Kg乙酸丁酯混合，在高速乳化器中处理10-60分钟，转速10000-100000 rpm，加工成均匀混合乳化液；

（2）在以上混合乳化液加工完成后以同样的加工转速环境下，在10-20分钟内将0.005Kg丙酮纳米铝粉分批次微量连续加入；

（4）以上乳化液用300目以上的滤网过滤后既得柔性或薄膜太阳能电池用聚酯喷墨打印机墨水。

将上述本实施例的墨水，分别按照国家QB/T2730.1-2005、QB/T2603-2007、GB/T13217.2-2009、GB/T 18724-2008/ISO 2836：2004标准检测。对墨水的质检指标，如比重、PH值、表面张力、粘度、电导率等做了检测，检测结果均符合国家国标。将被测墨水倒入耐寒包装瓶中，放入 (-20± 1)℃低温恒温箱中至24h后取出，恢复到室温后，检测其打印性能。检测结果：其还原性良好，不变质，不变味。

实施例2

（1）将2Kg聚酯树脂溶液（聚酯树脂固含量5%）（牌号196，温州市中侨高分子材料实业公司）, 黏度调节剂（N-甲基-2-吡咯烷酮）0.3Kg、30Kg正丁醇、30Kg丙酮、37.699Kg二醇醚乙酸酯混合，在高速乳化器中处理10-60分钟，转速10000-100000 rpm，加工成均匀混合乳化液；

（2）在以上混合乳化液加工完成后以同样的加工转速环境下，在10-20分钟内将0.0001Kg丙酮纳米铝粉分批次微量连续加入；

实施例3

（1）将3Kg聚酯树脂溶液（聚酯树脂固含量1%）（牌号2608,德国拜耳）、黏度调节剂（N-甲基-2-吡咯烷酮）0.8Kg、用15Kg甲基乙基酮、10Kg乙二醇乙醚、71.15Kg乙酸丁酯混合，在高速乳化器中处理10-60分钟，转速10000-100000 rpm，加工成均匀混合乳化液；

（2）在以上混合乳化液加工完成后以同样的加工转速环境下，在10-20分钟内将0.05Kg丙酮纳米铝粉分批次微量连续加入；

实施例4

（1）将4Kg 聚酯树脂溶液（聚酯树脂固含量8%）（Xm-1，无锡市阿尔兹化工有限公司），黏度调节剂（聚3-甲基噻吩）1Kg、70 Kg丁基乙二醇乙酸酯、24.9Kg丁醇混合，在高速乳化器中处理10-60分钟，转速10000-100000 rpm，加工成均匀混合乳化液；

（2）以上混合乳化液加工完成后以同样的加工转速环境下，在10-20分钟内将0.1Kg丙酮纳米铝粉分批次微量连续加入；

（3以上乳化液在纳米铝粉完全添加后，再充分乳化10-30分钟；

（4以上乳化液用300目以上的滤网过滤后既得柔性或薄膜太阳能电池用聚酯喷墨打印机墨水。

实施例5

（1）将5Kg 聚酯树脂溶液（聚酯树脂固含量2%）（3301，济南化工助剂有限公司），黏度调节剂（聚3-甲基噻吩）0.6Kg、10KgN,N-二甲基甲酰胺、20Kg丙酮、64.32Kg乙酸丁酯混合，在高速乳化器中处理10-60分钟，转速10000-100000 rpm，加工成均匀混合乳化液；

（2）在以上混合乳化液加工完成后以同样的加工转速环境下，在10-20分钟内将0.08Kg丙酮纳米铝粉分批次微量连续加入；

实施例6

将聚酯树脂溶液（191，温州市中侨高分子材料实业公司）、丙酮、二醇醚乙酸酯、乙酸乙酯、环已酮和乙二醇乙醚按照所述比例0.5：20：10： 20： 29.3： 20混合，在高速乳化器中以转速20000rpm处理20分钟，加工成均匀混合乳化液；在以上混合乳化液加工完成后以同样的加工转速环境下，在20分钟内将重量百分比为0.2的纳米铝粉分批次微量连续加入；以上乳化液在纳米铝粉完全添加后，再充分乳化20分钟；以上乳化液用1000目的滤网过滤后既得需要的一种柔性或薄膜太阳能电池用聚酯基喷墨打印机墨水。

实施例7

将聚酯树脂（191，温州市中侨高分子材料实业公司）、丙酮、二醇醚乙酸酯、丁基乙二醇乙酸酯、环已酮和甲氧基丙醇按照所述比例0.5：20：10： 20： 29.4： 20混合，在高速乳化器中以转速100000 rpm处理10分钟，加工成均匀混合乳化液；在以上混合乳化液加工完成后以同样的加工转速环境下，在10分钟内将重量百分比为0.1的纳米铝粉分批次微量连续加入；以上乳化液在纳米铝粉完全添加后，再充分乳化10分钟；以上乳化液用500目的滤网过滤后既得需要的一种柔性或薄膜太阳能电池用聚酯基喷墨打印机墨水。

将本实施例的墨水，分别按照国家QB/T2730.1-2005、QB/T2603-2007、GB/T13217.2-2009、GB/T 18724-2008/ISO 2836：2004标准检测。对墨水的质检指标，如比重、PH值、表面张力、粘度、电导率等做了检测，检测结果均符合国家国标。将被测墨水倒入耐寒包装瓶中，放入 (-20± 1)℃低温恒温箱中至24h后取出，恢复到室温后，检测其打印性能。检测结果：其还原性良好，不变质，不变味。

该墨水配方简单，制造容易，工艺易掌握，只需要搅拌机械、超声分散和过滤机械即可工业化生产，容易达到质量标准。

Claims

1. 一种薄膜太阳能电池用聚酯基喷墨打印机墨水，其特征在于：包括按重量百分比计的下列组分：

聚脂树脂溶液（溶液中聚脂树脂固含量为1-10%） 0.5-5%；

纳米铝粉0.0001-0.1%；

黏度调节剂0.1-1%；

余量为溶剂。

2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池用聚酯基喷墨打印机墨水，其特征在于：所述的聚脂树脂为不饱和聚脂树脂或不饱和聚脂树脂与环氧树脂、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、有机硅改性树脂中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池用聚酯基喷墨打印机墨水，其特征在于：所述的黏度调节剂为N-甲基-2-吡咯烷酮或聚3-甲基噻吩。

4.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池用聚酯基喷墨打印机墨水，其特征在于：所述的溶剂为醇、酯、醚、胺、酰胺、酮或烃中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的柔性或薄膜太阳能电池用聚酯基喷墨打印机墨水，其特征在于：所述的墨水中同时含有酮、酯和醚。

6.根据权利要求4所述的薄膜太阳能电池用聚酯基喷墨打印机墨水，其特征在于：所述的醇为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、戊醇、己醇，或上述醇的氟化醇中的一种或多种。

7.根据权利要求4或5所述的薄膜太阳能电池用聚酯基喷墨打印机墨水，其特征在于：所述的酮为丙酮、环已酮，甲乙酮、甲异丙酮、甲基乙基酮、二异丁基酮、二丙酮醇、N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。

8.根据权利要求4或5所述的薄膜太阳能电池用聚酯基喷墨打印机墨水，其特征在于：所述的酯为醇醚酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸1-甲氧基-2-丙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、丙酸甲酯、或丙酸乙酯、二醇醚乙酸酯、丁基乙二醇乙酸酯中的一种或多种。

9.根据权利要求4或5所述的薄膜太阳能电池用聚酯基喷墨打印机墨水，其特征在于：所述的醚为二乙醚、二丙醚、四氢呋喃、二恶烷、乙二醇乙醚或乙二醇甲醚中的一种或多种。

10.权利要求1所述的薄膜太阳能电池用聚酯基喷墨打印机墨水的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：