CN104151933B - 水基光固化型纳米铝粉墨水的加工方法 - Google Patents

水基光固化型纳米铝粉墨水的加工方法 Download PDF

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Abstract

一种水基光固化型纳米铝粉墨水的加工方法，将纳米铝粉，甘油，水按一定重量比例在容器中共混，用乳化设备将以上共混溶液均匀分散，在分散过程中将分散剂最少分三批次分批次加入，将一定质量比的单体丙烯酰胺在一定时间实验的固定阶段分批次加入以上溶液，将一定质量比的亚交联剂在一定时间阶段分批次加入以上溶液，将一定质量比的光引发剂在一定时间阶段内分批次加入以上溶液，将以上溶液继续乳化一定时间，就能得到性能优异的喷墨打印机用水基光固化型纳米铝粉墨水。本发明的方法应用于薄膜太阳能电池生产的生产工艺简单、制造生产成本低；所生产的薄膜太阳能电池自然且低污染、价格降低、适合可携式电子产品，是未来极具竞争力的能源替代方案，潜在着极其广阔的实用性及市场推广前景。

Description

水基光固化型纳米铝粉墨水的加工方法
技术领域
本专利设计一种水基光固化型纳米铝粉墨水的加工方法，特别是一种应用于薄膜太阳能电池纳米铝粉墨水的加工方法。
背景技术
随着人类文明迅速地发展，对能源的需求和以来也与日俱增，传统的石油、天然气及燃煤等石化能源，因为大量开采的原因，不但很快地讲面临枯竭的危机，进来价格更是剧烈波动。此外，燃烧日湖能源后将产生二氧化碳等废弃物而造成温室效应及酸雨等环境污染，因此目前全球对于再生能源的重视也日渐提高，像是利用风力、水利及太阳能灯，这类自然且低污染性的能源，是未来极具竞争力的能源替代方案。
此专利所关注到的太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源之一。符合清洁能源的要求，对环境不产生任何污染。一般估计，太阳每年照射到地球的能量约为目前人类所需典礼的五十万倍，如能充分利用太阳能，相信往后的能源问题皆可轻易解决。
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。
为适应以上工业需求，我们发明了水基光固化型纳米铝粉墨水。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。
发明内容
本发明的目是设计一种水基光固化型纳米铝粉墨水的加工方法。纳米铝粉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，以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。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
将纳米铝粉，甘油，水按一定重量比例在容器中共混，用乳化设备将以上共混溶液均匀分散，在分散过程中将分散剂最少分三批次分批次加入，将一定质量比的单体丙烯酰胺在一定时间实验的固定阶段分批次加入以上溶液液，将一定质量比的亚交联剂在一定时间阶段分批次加入以上溶液，将一定质量比的光引发剂在一定时间阶段内分批次加入以上溶液，将以上溶液继续乳化一定时间，就能得到性能优异的喷墨打印机用水基光固化型纳米铝粉墨水。
具体包括如下步骤：
（1）将纳米铝粉：甘油：水按重量比为1~5:5~15:70~90的比例在容器中共混；
（2）用乳化设备将以上共混溶液均匀分散；
（3）在分散过程中将分散剂最少分三批次分批次加入；
（4）将一定质量比的单体丙烯酰胺分批次加入以上溶液液；
（5）将一定质量比的亚交联剂分批次加入以上溶液；（6）将一定质量比的光引发剂分批次加入以上溶液；（7）将以上溶液继续乳化一定时间，得到喷墨打印机用水基光固化型纳米铝粉墨水。
所述步骤（2）中乳化设备的转速为10000~100000转/分，分散时间控制在1.5~3个小时。
所述步骤（3）中分散剂添加量为混合溶液总质量的1/10000~1/1000，所述的分散剂为EFKA-4300。
所述步骤（4）中加入的单体丙烯酰胺的质量占混合溶液总质量的1~5%，在1.5~3小时内分批次加入。
步骤（5）中交联剂添加量为混合溶液总质量的1~5%，在1.5~3小时内分批次加入，所述的交联剂为亚甲基双丙烯酰胺。
步骤（6）中光引发剂的添加量占混合溶液总质量的1~5%，在应在1.5~3小时内分批次加入；所述光引发剂为2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮。
步骤（7）中的乳化时间为1.5~3小时。
水基光固化型纳米铝粉墨水喷墨打印工艺，可以达到精确地按所需量将材料沉积在适当位置，材料的利用率极高，制备出的太阳能电池的质轻又无破裂之处。
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。
应用于薄膜太阳能电池生产的生产工艺简单、制造生产成本低；所生产的薄膜太阳能电池自然且低污染、价格降低、适合可携式电子产品，是未来极具竞争力的能源替代方案，潜在着极其广阔的实用性及市场推广前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
称取5g纳米铝粉，15g甘油和80g的蒸馏水混合，用转速为20000转/分的乳化设备将以上共混溶液均匀分散2小时，在分散过程中将0.02/100聚丙烯酸钠分散剂分三批次加入，再将质量比为1%单体丙烯酰胺在1.5小时内分二批次加入以上溶液液，再将质量比为1%交联剂亚甲基双丙烯酰胺在1.5小时内分二批次加入以上溶液，再将质量比为1%2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮光引发剂在1.5小时内分二批次加入以上溶液，将以上溶液继续乳化1.5小时.即得到性能优异的喷墨打印机用水基光固化型纳米铝粉墨水。
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/T18724-2008/ISO2836：2004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
称取10g纳米铝粉，30g甘油和360g的蒸馏水混合，用转速为20000转/分的乳化设备将以上共混溶液均匀分散2小时，在分散过程中将0.02/100聚丙烯酸钠分散剂分三批次加入，再将质量比为1%单体丙烯酰胺在1.5小时内分二批次加入以上溶液液，再将质量比为1%交联剂亚甲基双丙烯酰胺在1.5小时内分二批次加入以上溶液，再将质量比为1%2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮光引发剂在1.5小时内分二批次加入以上溶液，将以上溶液继续乳化1.5小时，即得到性能优异的喷墨打印机用水基光固化型纳米铝粉墨水。
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/T18724-2008/ISO2836：2004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3
（1）将纳米铝粉：甘油：水按重量比为1~5:5~15:70~90的比例在容器中共混；
（2）用乳化设备将以上共混溶液均匀分散；乳化设备的转速为10000~100000转/分，分散时间控制在1.5~3个小时。
（3）在分散过程中将分散剂最少分三批次分批次加入；分散剂添加量为混合溶液总质量的1/10000~1/1000，所述的分散剂为EFKA-4300。
（4）将一定质量比的单体丙烯酰胺分批次加入以上溶液液；加入的单体丙烯酰胺的质量占混合溶液总质量的1~5%，在1.5~3小时内分批次加入。
（5）将一定质量比的亚交联剂分批次加入以上溶液；交联剂添加量为混合溶液总质量的1~5%，在1.5~3小时内分批次加入，所述的交联剂为亚甲基双丙烯酰胺。（6）将一定质量比的光引发剂分批次加入以上溶液；光引发剂的添加量占混合溶液总质量的1~5%，在应在1.5~3小时内分批次加入；所述光引发剂为2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮。
（7）将以上溶液继续乳化1.5~3小时，得到喷墨打印机用水基光固化型纳米铝粉墨水。
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/T18724-2008/ISO2836：2004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4
（1）将纳米铝粉：甘油：水按重量比为1:5:70的比例在容器中共混；
（2）用乳化设备将以上共混溶液均匀分散；乳化设备的转速为10000转/分，分散时间控制在1.5个小时。
（3）在分散过程中将分散剂最少分三批次分批次加入；分散剂添加量为混合溶液总质量的1/10000，所述的分散剂为EFKA-4300。
（4）将一定质量比的单体丙烯酰胺分批次加入以上溶液液；加入的单体丙烯酰胺的质量占混合溶液总质量的1%，在1.5小时内分批次加入。
（5）将一定质量比的亚交联剂分批次加入以上溶液；交联剂添加量为混合溶液总质量的1%，在1.5小时内分批次加入，所述的交联剂为亚甲基双丙烯酰胺。（6）将一定质量比的光引发剂分批次加入以上溶液；光引发剂的添加量占混合溶液总质量的1%，在应在1.5小时内分批次加入；所述光引发剂为2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮。
（7）将以上溶液继续乳化1.5小时，得到喷墨打印机用水基光固化型纳米铝粉墨水。
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/T18724-2008/ISO2836：2004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5
（1）将纳米铝粉：甘油：水按重量比为5:15:90的比例在容器中共混；
（2）用乳化设备将以上共混溶液均匀分散；乳化设备的转速为100000转/分，分散时间控制在3个小时。
（3）在分散过程中将分散剂最少分三批次分批次加入；分散剂添加量为混合溶液总质量的1/1000，所述的分散剂为EFKA-4300。
（4）将一定质量比的单体丙烯酰胺分批次加入以上溶液液；加入的单体丙烯酰胺的质量占混合溶液总质量的5%，在3小时内分批次加入。
（5）将一定质量比的亚交联剂分批次加入以上溶液；交联剂添加量为混合溶液总质量的5%，在3小时内分批次加入，所述的交联剂为亚甲基双丙烯酰胺。
（6）将一定质量比的光引发剂分批次加入以上溶液；光引发剂的添加量占混合溶液总质量的5%，在应在3小时内分批次加入；所述光引发剂为2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮。
（7）将以上溶液继续乳化3小时，得到喷墨打印机用水基光固化型纳米铝粉墨水。
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/T18724-2008/ISO2836：2004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6
（1）将纳米铝粉：甘油：水按重量比为2:10:80的比例在容器中共混；
（2）用乳化设备将以上共混溶液均匀分散；乳化设备的转速为50000转/分，分散时间控制在2.0个小时。
（3）在分散过程中将分散剂最少分三批次分批次加入；分散剂添加量为混合溶液总质量的5/10000，所述的分散剂为EFKA-4300。
（4）将一定质量比的单体丙烯酰胺分批次加入以上溶液液；加入的单体丙烯酰胺的质量占混合溶液总质量的3%，在2.0小时内分批次加入。
（5）将一定质量比的亚交联剂分批次加入以上溶液；交联剂添加量为混合溶液总质量的2%，在2.0小时内分批次加入，所述的交联剂为亚甲基双丙烯酰胺。
（6）将一定质量比的光引发剂分批次加入以上溶液；光引发剂的添加量占混合溶液总质量的3%，在应在2.5小时内分批次加入；所述光引发剂为2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮。
（7）将以上溶液继续乳化2.5小时，得到喷墨打印机用水基光固化型纳米铝粉墨水。
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/T18724-2008/ISO2836：2004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。

Claims (2)

1.一种水基光固化型纳米铝粉墨水的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将纳米铝粉：甘油：水按重量比为1~5:5~15:70~90的比例在容器中共混；
（2）用乳化设备将以上共混溶液均匀分散；
（3）在分散过程中将分散剂最少分三批次分批次加入；分散剂添加量为步骤（2）的得到的混合溶液总质量的1/10000~1/1000，所述的分散剂为EFKA-4300；
（4）将单体丙烯酰胺分批次加入以上溶液；加入的单体丙烯酰胺的质量占步骤（2）的得到的混合溶液总质量的1~5%，在1.5~3小时内分批次加入；
（5）将交联剂分批次加入以上溶液；交联剂添加量为步骤（2）的得到的混合溶液总质量的1~5%，在1.5~3小时内分批次加入，所述的交联剂为亚甲基双丙烯酰胺；
（6）将光引发剂分批次加入以上溶液；光引发剂的添加量占步骤（2）的得到的混合溶液总质量的1~5%，在1.5~3小时内分批次加入；所述光引发剂为2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮；
（7）将以上溶液继续乳化1.5~3小时，得到喷墨打印机用水基光固化型纳米铝粉墨水。
2.根据权利要求1所述的水基光固化型纳米铝粉墨水的加工方法，其特征在于：所述步骤（2）中乳化设备的转速为10000~100000转/分，分散时间控制在1.5~3个小时。
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