CN107705878A

CN107705878A - 一种碳电子浆料及其制备方法

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Publication number: CN107705878A
Application number: CN201710940130.7A
Authority: CN
Inventors: 王鸣魁; 宋金魁; 陶磊明; 李�浩; 刘双双; 申燕
Original assignee: Wuhan Match Technology Co Ltd
Current assignee: Wuhan Match Technology Co Ltd
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2018-02-16

Abstract

本发明公开了一种碳电子浆料，所述碳电子浆料包含以下重量份的组分：导电相30‑90份，粘结相0‑20份，有机载体100‑190份，增稠剂0‑16份，以及消泡剂0‑10份。还提供该碳电子浆料的制备方法，所述方法包括如下步骤：将导电相、粘结相和有机载体添加到溶剂中进行预混合，在预混合的过程中添加增稠剂和消泡剂，进行机械搅拌和超声破碎，后转入球磨仪中进行球磨，取出后使用旋蒸仪将溶剂快速蒸发，然后装瓶即得碳电子浆料。本发明的优点在于：与金属电子浆料相比，碳电子浆料性能高、成本低、无铅，符合保护环境的理念，大大提高了碳电子浆料产品的竞争能力；本申请制备的碳电子浆料，可以采用简单的丝网印刷或者刮刀法进行后续的使用；制备方法方便简单。

Description

一种碳电子浆料及其制备方法

技术领域

本发明涉及电子材料技术领域，更具体涉及一种碳电子浆料及其制备方法。

背景技术

电子浆料可应用于光伏电极、光催化、电容器等领域中，从60年代产生，发展到现在，由于其具有环保、高效和节能等一系列优势，在市场有巨大的应用潜力。

传统的电子浆料中通常需加入超过50％的铅以便降低电子浆料的烧结温度，但由于铅含量过高，在电子浆料生产过程中含铅的玻璃粉会对环境造成严重的污染，进而影响人类身体健康，违背人与自然和谐相处的理念，因此开发无铅电子浆料是目前重要的、亟待需要解决的课题。

此外，出于成本考虑，在电子浆液生产过程中可以使用贱金属浆料替代贵金属浆料，这样虽然在成本和其他方面存在较大的优势，但由于贱金属在高温下极易被氧化，容易导致电子浆液的功能相变质，进而严重影响其电子浆料的性能。

目前，随着电子浆料技术的高速发展，碳电子浆料由于其高性能、低成本大大提高了电子浆料产品的竞争能力。同时，碳电子浆料中无铅，符合保护环境的理念，所以，碳电子浆料也必然成为电子浆料产业发展的方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种无环境污染、成本低且性能优良的碳电子浆料。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一方面，本发明提供一种碳电子浆料，其包含以下重量份的组分：

导电相 30-90份，

粘结相 0-20份，

有机载体 100-190份，

增稠剂 0-16份，以及

消泡剂 0-10份。

优选地，所述碳电子浆料包含以下重量份的组分：

导电相 50-60份，

粘结相 4-6份，

有机载体 150-170份，以及

增稠剂 8-12份。

导电相作为碳电子浆料中的主要功能相，其微观结构决定电子浆料的电性能，影响最后成膜的物理和机械性能。粘结相的主要作用是使导电相能牢固地结合在一起，同时，可以增强碳膜对基底的附着力，使碳膜更好地附着在基底上不容易脱落，也会增强碳膜的机械性能和介电性能。有机载体的作用是做导电相和粘结相的运载，还可控制电子浆料的流变特性，使固体形态的导电相、粘结相和其他固体物质分散成具有流体特性的浆料，以便于转印到基底上，形成所需图形，从而适用于丝网印刷法和刮刀法等简单的制备工艺。增稠剂的作用是增加碳电子浆料的流变性。

优选地，按重量份计，导电相包含37-43份的石墨、7-13份的炭黑和0-50份其它碳材料。

优选地，石墨为石墨粉和石墨片的混合物。通过对石墨粉和石墨片的混合，一方面可以使印刷后的碳电子浆料成膜后强度的增加，不容易从基底上脱落；另一方面石墨片交叉分布于石墨粉中，更有利于载流子的传输，可以提升碳电子浆料的导电性；同时，采用碳材料作为电极，与金属材料相比，一方面可以降低生产成本，另一方面采用碳对电极会更加稳定，例如不发生离子迁移和氧化等化学现象。

优选地，其它碳材料选自碳纳米管、碳纤维和碳球中的一种或多种。

优选地，粘结相为金属氧化物。

优选地，粘结相选自ZrO₂、Al₂O₃、PbO、SiO₂、B₂O₃、BaO、ZnO、B₂O₃、CaF₂和CuO中的一种或多种，最有选为ZrO₂。

优选地，有机载体选自松油醇、萜品醇、丁基卡必醇、丁酸丁基卡必醇、异丙醇、甲苯和氯苯中的一种或多种；更优选为松节油透醇。

优选地，增稠剂选自乙基纤维素、羟丙基纤维素、硝基纤维素、丙烯酸树脂、丁醛树脂、聚异乙烯、聚己烯乙醇、聚α-甲基苯乙烯、聚己烯醋酸酯和苯乙烯中的一种或多种，更优选为乙基纤维素。

优选地，消泡剂选自硅酸甲脂、硅酸四乙脂和苯甲基硅油中的一种或多种。

另一方面，本发明还提供上述碳电子浆料的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)预混合：将导电相、粘结相和有机载体添加到溶剂中进行预混合，在预混合的过程中添加增稠剂和消泡剂，进行机械搅拌5分钟以上，然后置入超声破碎仪中进行超声破碎5分钟以上，再重复进行机械搅拌和超声破碎一次以上；

2)球磨混合：将预混合后的浆料转入球磨仪中至球磨罐体积的60-80％，然后将球磨罐移到球磨仪上进行球磨6小时以上，若未混合均匀则继续进行球磨，若混合均匀则进行旋蒸；

3)旋蒸：将球磨混合后的浆料置入旋蒸仪中进行旋蒸，以将溶剂快速蒸发，然后装瓶即得碳电子浆料。

优选地，溶剂为无水乙醇。

优选地，在步骤2)中，球磨仪的转速为200～375转/分。

优选地，在步骤3)中，旋蒸的转速50-120转/分，旋蒸的温度为40-80℃，旋蒸过程中压强逐渐降低至55-200Pa。

本发明相比现有技术具有以下优点：与金属电子浆料相比，碳电子浆料性能高、成本低、无铅，符合保护环境的理念，大大提高了碳电子浆料产品的竞争能力；本申请制备的碳电子浆料，可以采用简单的丝网印刷或者刮刀法进行后续的使用；制备方法方便简单。本发明的碳电子浆料可以广泛应用于新兴的光伏、光催化、电容器等领域，具体应用到光伏做电极，可以对内部吸光材料进行有效的保护，延长光伏器件的寿命，提高其性能。

附图说明

图1是本发明的碳电子浆料的扫描电镜图；

图2是本发明的碳电子浆料的制备方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

称取2g石墨片、2g石墨粉以及1g炭黑作为导电相，0.5g ZrO₂作为粘结相，16g松节油透醇作为有机载体，1g乙基纤维素作为增稠剂。

按照图2的流程制备碳电子浆料，具体步骤如下：

1)预混合：将导电相、粘结相和有机载体添加到无水乙醇中进行预混合，在预混合的过程中添加增稠剂，然后进行机械搅拌10分钟，并且置入超声破碎仪中进行超声破碎10分钟，再重复进行上述机械搅拌和超声破碎一次；

2)球磨混合：将预混合后的浆料转入球磨罐中至球磨罐体积的70％，然后将球磨罐移到球磨仪上以275转/分的转速进行球磨10小时，若未混合均匀则继续进行球磨，未混合均匀则进行旋蒸；

3)将球磨混合后的浆料置入旋蒸仪中进行旋蒸，旋蒸的转速100转/分，温度为60℃，旋蒸过程中压强逐渐降低至100Pa，以将无水乙醇快速蒸发，然后装瓶即得碳电子浆料。

用扫描电镜观察制得的碳电子浆料，可以看到片状的石墨和颗粒状的炭黑，1为石墨片，2为导电炭黑。通过对石墨粉和石墨片的混合，一方面可以使印刷到基底上的碳电子浆料的强度更高，不容易从基底上脱落；另一方面，石墨片交叉分布于石墨粉中，可以提升碳电子浆料的导电性。

将上述碳电子浆料应用到钙钛矿中作为对电极，以钙钛矿太阳能电池为例，测试碳电子浆料的性能。太阳能电池最重要的和综合性的特性参数是光-电能量转换效率，用符号PCE表示，它的值是太阳能电池最大输出电功率与入射光功率之比。在太阳能电池中，决定PCE的参数为短路电流(Jsc)、开路电压(Voc)和填充因子(FF)。为了获得较高PCE，这三个参数也应尽可能高。方阻是方块电阻，指一个正方形的薄膜导电材料边到边之间的电阻，方阻越小太阳能电池的性能越好。测试结果如下：方阻为65Ω/cm²，Voc为905mV，Jsc为16.2mA/cm2，FF为61％，PCE为8.9％。

实施例2

称取1.3g石墨粉、3g石墨片和0.7g炭黑作为导电相，0.4g ZrO₂作为粘结相，13g松节油透醇作为有机载体，1g乙基纤维素作为增稠剂。

按照图2的流程制备碳电子浆料，具体步骤如下：

1)预混合：将导电相、粘结相和有机载体添加到无水乙醇中进行预混合，在预混合的过程中添加增稠剂，然后进行机械搅拌5分钟，并且置入超声破碎仪中进行超声破碎5分钟，再重复进行上述机械搅拌和超声破碎两次；

2)球磨混合：将预混合后的浆料转入球磨罐中至球磨罐体积的60％，然后将球磨罐移到球磨仪上以375转/分的转速进行球磨6小时，若未混合均匀则继续进行球磨，未混合均匀则进行旋蒸；

3)将球磨混合后的浆料置入旋蒸仪中进行旋蒸，以将无水乙醇快速蒸发，然后装瓶即得碳电子浆料。

将上述碳电子浆料应用到钙钛矿中作为对电极。以钙钛矿太阳能电池为例，测试碳电子浆料的性能。测试结果如下：方阻为54Ω/cm²，Voc为898mV，Jsc为16.0mA/cm2，FF为58％，PCE为8.3％。

实施例3

称取3.7g石墨粉和1.3g炭黑作为导电相，0.6g ZrO₂作为粘结相，19g松节油透醇作为有机载体，1g乙基纤维素作为增稠剂，0.5g硅酸甲脂作为消泡剂。

按照图2的流程制备碳电子浆料，具体步骤如下：

1)预混合：将导电相、粘结相和有机载体添加到无水乙醇中进行预混合，在预混合的过程中添加增稠剂和消泡剂，然后进行机械搅拌7分钟，并且置入超声破碎仪中进行超声破碎8分钟，再重复进行上述机械搅拌和超声破碎三次；

2)球磨混合：将预混合后的浆料转入球磨罐中至球磨罐体积的80％，然后将球磨罐移到球磨仪上以300转/分的转速进行球磨8小时，若未混合均匀则继续进行球磨，未混合均匀则进行旋蒸；

将上述碳电子浆料应用到钙钛矿中作为对电极。以钙钛矿太阳能电池为例，测试碳电子浆料的性能。测试结果如下：方阻为89Ω/cm²，Voc为893mV，Jsc为14.7mA/cm2，FF为61％，PCE为8.0％。

实施例4-7

根据实施例3的方法制备碳电子浆料，区别在于原料(即导电相、粘结相、有机载体、增稠剂和消泡剂)的组成和质量不同，具体参见表1。

表1实施例4-7的原料的组成和质量

以钙钛矿太阳能电池为例，测试碳电子浆料的性能。将碳电子浆料应用到钙钛矿中作为对电极。测试结果如表2所示。

表2：实施例4-7的碳电子浆料应用到太阳能电池中的性能

实施例标号	方阻(Ω/cm²)	Voc(mV)	Jsc(mA/cm²)	FF(％)	PCE(％)
						实施例4	78	818	10.2	78	6.6
实施例5	75	796	13.44	62	6.8
						实施例6	70	850	12.4	58	6.1
实施例7	68	878	13.9	57.2	7.3

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种碳电子浆料，其特征在于，所述碳电子浆料包含以下重量份的组分：

导电相 30-90份，

粘结相 0-20份，

有机载体 100-190份，

增稠剂 0-16份，以及

消泡剂 0-10份。

2.根据权利要求1所述的碳电子浆料，其特征在于，按重量份计，所述导电相包含37-43份的石墨、7-13份的炭黑和0-50份其它碳材料。

3.根据权利要求2所述的碳电子浆料，其特征在于，按重量份计，所述石墨为石墨粉和石墨片的混合物。

4.根据权利要求2所述的碳电子浆料，其特征在于，所述其它碳材料选自碳纳米管、碳纤维和碳球中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的碳电子浆料，其特征在于，所述粘结相选自ZrO₂、Al₂O₃、PbO、SiO₂、B2O₃、BaO、ZnO、B₂O₃、CaF₂和CuO中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的碳电子浆料，其特征在于，所述有机载体选自松节油透油醇、萜品醇、丁基卡必醇、丁酸丁基卡必醇、异丙醇、甲苯和氯苯中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的碳电子浆料，其特征在于，所述增稠剂选自乙基纤维素、羟丙基纤维素、硝基纤维素、丙烯酸树脂、丁醛树脂、聚异乙烯、聚己烯乙醇、聚α-甲基苯乙烯、聚己烯醋酸酯和苯乙烯中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的碳电子浆料，其特征在于，所述消泡剂选自硅酸甲脂、硅酸四乙脂和苯甲基硅油中的一种或多种。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的碳电子浆料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)预混合：将导电相、粘结相和有机载体添加到溶剂中进行预混合，在预混合的过程中添加增稠剂和消泡剂，进行机械搅拌5分钟以上，然后置入超声破碎仪中进行超声破碎5分钟以上，再重复进行所述机械搅拌和所述超声破碎一次以上；

2)球磨混合：将预混合后的浆料转入球磨罐中至球磨罐体积的60-80％，然后将球磨罐移到球磨仪上进行球磨6小时以上，若未混合均匀则继续进行球磨，若混合均匀则进行旋蒸；

3)旋蒸：将球磨混合后的浆料置入旋蒸仪中进行旋蒸，以将所述溶剂快速蒸发，然后装瓶即得碳电子浆料。

10.根据权利要求9所述的碳电子浆料的制备方法，其特征在于，所述溶剂为无水乙醇；

在所述步骤2)中，所述球磨仪的转速为200-375转/分；

在所述步骤3)中，旋蒸的转速50-120转/分，旋蒸的温度为40-80℃，旋蒸过程中压强逐渐降低至55-200Pa。