CN109461779A - 一种基于喷墨打印技术的金属网格电极制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于喷墨打印技术的金属网格电极制备方法。所述制备方法包括：利用喷墨打印技术在基底上制备规则的金属网格；获取多个所述金属网格中打印线条不同的间距；根据所述打印线条不同的间距确定由所述打印线条构成的金属网格电极的多个光电性能；通过调控退火处理的温度对多个所述光电性能进行优化，确定最优金属网格电极。采用本发明所提供的制备方法能够简化金属网格电极制备工艺，避免材料浪费以及环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及金属网格电极制备领域，特别是涉及一种基于喷墨打印技术的金属网格电极制备方法。
背景技术
随着新材料、新工艺的出现，人们使用的电子设备正朝着大尺寸、轻薄、柔性且低成本方向发展，对应用于各类光电器件的电极材料也提出了制备工艺简单、环境友好且兼具透明的要求。传统的金属电极，均采用真空蒸镀的方式进行制备，制备工艺复杂、能耗高的缺点限制了其大面积快速制备及大规模应用；而且金属电极只有蒸镀厚度为10纳米以下的厚度才具备透明的性质，但会在一定程度上影响电极的电学性能以及与基底的附着力。所以，金属网格电极结构在制备工艺、基底选择和导电性等方面均具备了一定的优势，成为了目前透明导电薄膜领域的研究热点。
目前在制备金属网格电极时，最常采用的方法是通过光刻技术使得金属电极网格化，但是采用光刻技术实现金属网格电极的制备需要使用曝光、显影、刻蚀等繁琐工艺，存在材料浪费，环境污染等缺点，限制了金属网格电极在光电器件中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于喷墨打印技术的金属网格电极制备方法，以解决采用光刻技术使得金属网格化，由于使用曝光、显影、刻蚀等繁琐工艺，存在材料浪费，环境污染等问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于喷墨打印技术的金属网格电极制备方法，包括：
利用喷墨打印技术在基底上制备规则的金属网格；
获取多个所述金属网格中打印线条不同的间距；
根据所述打印线条不同的间距确定由所述打印线条构成的金属网格电极的多个光电性能；
通过调控退火处理的温度对多个所述光电性能进行优化，确定最优金属网格电极。
可选的，所述获取多个所述金属网格中打印线条不同的间距之前，还包括：
调整喷墨打印设备的打印速度以及打印电压，并根据不同的打印速度以及打印电压确定多个所述金属网格中打印线条不同的线宽。
可选的，所述打印速度为1mm/s，所述打印电压为200V。
可选的，所述基底具体包括：硬质基底以及柔性基底；
所述硬质基底包括玻璃基底、硅片基底以及石英基底；
所述柔性基底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯基底以及聚酰亚胺薄膜基底。
可选的，所述喷墨打印设备的针尖上载有金属银纳米粒子墨水；所述针尖与所述基底的距离小于30微米。
可选的，所述金属网格的尺寸为0.5cm2，所述打印线条的线宽为8～12微米，所述打印线条之间的间距为50～10微米。
可选的，利用紫外分光光度计测试光透过率，表征所述银金属网格电极的光学性能。
可选的，利用四探针测试面电阻的方法，表征所述银金属网格电极的电学性能。
可选的，所述退火处理的温度为150～250℃，退火时间为30分钟。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基于喷墨打印技术的金属网格电极制备方法，基于喷墨打印技术，通过调控喷墨打印设备的打印速度、打印电压以及退火温度，无需使用曝光、显影、刻蚀等繁琐工艺，从而快速制备金属网格电极，本发明具备工艺简单，可大规模制备等条件且基本满足光电器件对透明电极的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的打印线条的间距为50微米的金属网格的蔡司显微镜图像；
图2为本发明所提供的打印线条的间距为30微米的金属网格的蔡司显微镜图像；
图3为本发明所提供的打印线条的间距为10微米的金属网格的蔡司显微镜图像；
图4为本发明所提供的打印线条的间距为50微米、30微米和10微米的金属网格电极的透过光谱对比图；
图5为本发明所提供的打印线条的间距为30微米金属网格电极在250℃，退火30分钟处理后的蔡司显微镜图像；
图6为本发明所提供的打印线条的间距为30微米和金属网格电极在200℃，退火30分钟处理后的透过光谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于喷墨打印技术的金属网格电极制备方法，能够简化金属网格电极制备工艺，避免材料浪费以及环境污染。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
通过调控载有金属银纳米粒子墨水的针尖到基底上的距离30微米，如果针尖与基底的距离调制小于30微米，当打印电压过高时，会出现打印形成的线条未能及时扩散，这时打印线条的厚度过大，若针尖距离衬底的距离过小，会造成打印针尖的损坏。
将需要打印金属网格电极的玻璃衬底(也可选择其他硬质衬底，如硅片，石英衬底等，也可选用柔性衬底，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，PET)基底、聚酰亚胺薄膜(Polyimide film，PI)基底等)固定放置打印针头下方，校准SIJ(SIJTechnology，Inc.为喷墨打印设备的厂商)喷墨打印设备中打印针头与衬底的打印基准点，确保在衬底上形成精准的打印位置与打印图形。
喷墨打印制备的金属网格中，每条打印的银金属线条的线宽取决于打印速度和喷墨打印电压。
首先，设置喷墨打印机的打印速度，通过改变承载基底的托盘移动速度，从而控制金属网格电极的打印速度，优化后的打印速度设置为1mm/s；其次，SIJ喷墨打印设备通过控制施加在针头上的打印电压来控制打印墨水的出墨量，因此，所制备的银金属网格电极中，每条打印的银金属线条的线宽也取决于打印电压的设置，当打印电压过小时，在玻璃基底上不能很好的形成连续的打印金属线条，当打印电压过大时，则会形成较宽的打印线条影响银金属网格的光透过率，优化后的打印电压为200V；最后所构成金属网格的打印银线的宽度为8～12微米。
在实际应用中，为了确定最佳的打印银金属网格中打印线条的间距对金属网格的光电性能的影响，可以通过以下3组实验进行对比：
保持其他打印参数如打印针头与基底的距离、打印速度以及打印电压不变的情况下，分别打印了线与线间隔大小为50微米(如图1所述)、30微米(如图2所示)、10微米(如图3所示)的银金属网格电极，并对三组喷墨打印制备的银网格电极进行了光电性能的测试，其中包括面电阻测试和可见光范围内的光透过率测试。
如图4所示，打印的银金属网格中线与线的间距为50微米时，在550纳米的波长下光透过率为74.4％，但是由于打印网格的间距相对较大，打印的金属网格电极线条排布不够紧密，导致银金属网格电极的面电阻高达100kΩ/sq以上。
当打印的银金属网格电极的线间距取10微米时，网格的电学性能方面相较于线间距为50微米金属网格电极有了较明显的提高，能够降低到450Ω/sq左右，但在550纳米的波长下光透过率仅为32.3％。
当银金属网格电极中的打印线条的间距设置为30微米时，银金属网格电极在550纳米的波长下光透过率为41.2％，面电阻为781Ω/sq左右。
综合以上打印金属网格电极的光电性能，优选打印线条间距为30微米的银金属网格电极进行后续的退火优化处理，进一步改善打印银金属网格电极的光电性能。
由于打印银墨水是由银纳米粒子分散在有机溶剂(二甲基甲酰胺、环己酮等)而形成的，所以需要对制备的打印银金属网格电极进行退火处理，去除包覆银纳米粒子周围的有机溶剂，提高打印银金属线条的导电性能，进而降低打印金属网格电极的面电阻。
分别对打印线条间距为30微米的银金属网格进行了150℃、200℃和250℃退火30分钟的三组对比实验。
如图5所示，当退火温度为150℃时，金属网格电极的面电阻降低到68.4Ω/sq。而相对比，当退火温度为200℃时，银金属网格电极的面电阻为50.4Ω/sq。但我们使用250℃退火时，发现银金属网格电极不导电，通过蔡司显微镜观察250℃退火30分钟的金属网格电极中的打印线条出现烧断的现象，因此过高的退火温度不利于金属网格电极电学性能的提升。
如图6所示，在200摄氏度退火30分钟的银金属网格电极不但电学性能得到了提升，通过测试其光透过率发现，金属网格在550纳米的波长下光透过率提高到44.1％。原因是由于网格电极得制备是基于喷墨打印银墨水形式银线条，进而形成银金属网格；在喷墨打印过程中，由于溶液会扩散，影响金属网格得光透过率；通过退火处理后，伴随着有机溶剂杂质在高温下分解，使得退火后的银金属网格电极的光透过率也有了进一步提升。
本发明利用简单的喷墨打印工艺制备了银金属网格电极，通过调控金属银纳米粒子墨水的针尖到基底上的距离为30微米，打印速度为1mm/s，打印金属网格间线条的间距为50微米，再经过200℃退火30分钟的处理，得到了喷墨打印制备的银金属网格的面电阻为50.4Ω/sq，在550纳米的波长下光透过率为44.1％的半透明金属网格电极；制备工艺简单有效，且可大规模制备加工，具有广阔的应用前景。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种基于喷墨打印技术的金属网格电极制备方法，其特征在于，包括：
利用喷墨打印技术在基底上制备规则的金属网格；
获取多个所述金属网格中打印线条不同的间距；
根据所述打印线条不同的间距确定由所述打印线条构成的金属网格电极的多个光电性能；
通过调控退火处理的温度对多个所述光电性能进行优化，确定最优金属网格电极。
2.根据权利要求1所述的基于喷墨打印技术的金属网格电极制备方法，其特征在于，所述获取多个所述金属网格中打印线条不同的间距之前，还包括：
调整喷墨打印设备的打印速度以及打印电压，并根据不同的打印速度以及打印电压确定多个所述金属网格中打印线条不同的线宽。
3.根据权利要求2所述的基于喷墨打印技术的金属网格电极制备方法，其特征在于，所述打印速度为1mm/s，所述打印电压为200V。
4.根据权利要求1所述的基于喷墨打印技术的金属网格电极制备方法，其特征在于，所述基底具体包括：硬质基底以及柔性基底；
所述硬质基底包括玻璃基底、硅片基底以及石英基底；
所述柔性基底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯基底以及聚酰亚胺薄膜基底。
5.根据权利要求1所述的基于喷墨打印技术的金属网格电极制备方法，其特征在于，所述喷墨打印设备的针尖上载有金属银纳米粒子墨水；所述针尖与所述基底的距离小于30微米。
6.根据权利要求2所述的基于喷墨打印技术的金属网格电极制备方法，其特征在于，所述金属网格的尺寸为0.5cm2，所述打印线条的线宽为8～12微米，所述打印线条之间的间距为50～10微米。
7.根据权利要求1所述的基于喷墨打印技术的金属网格电极制备方法，其特征在于，利用紫外分光光度计测试光透过率，表征所述银金属网格电极的光学性能。
8.根据权利要求1所述的基于喷墨打印技术的金属网格电极制备方法，其特征在于，利用四探针测试面电阻的方法，表征所述银金属网格电极的电学性能。
9.根据权利要求1所述的基于喷墨打印技术的金属网格电极制备方法，其特征在于，所述退火处理的温度为150～250℃，退火时间为30分钟。
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- 2019-11-05 ZA ZA2019/07321A patent/ZA201907321B/en unknown
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