• 材料沉積噴墨打印及
    涂層系統解決方案

    我們的應用

    基于Inkjet、EHD、Ultra-sonic等技術積累,搭建材料噴墨打印與涂層研究與 應用平臺,從科研到產業為您提供解決方案。

    <p>有機太陽能電池、硅太陽能電池的導體、印刷電池和燃料電池的催化劑、燃料電池、儲能電容器等。</p>

    新能源及節能

    有機太陽能電池、硅太陽能電池的導體、印刷電池和燃料電池的催化劑、燃料電池、儲能電容器等。

    典型案例

    • ▲ 太陽能電池(電極柵線)

      隨著能源需求與消耗不斷增加,新能源的開發和利用受到各國的重視。利用光生伏特效應直接將太陽能轉化為電能的太陽能電池成為國內外研究的熱門項目。人們采用各種印刷技術用來制備太陽能電池,其中,噴墨打印技術作為一種非接觸式的數字成型技術,具有材料利用率高、成本低、適用于柔性基底沉積等特點而受到廣泛關注。噴墨打印技術被認為是新一代太陽能電池制備技術。 在過去的十年中,噴墨印刷技術已經被視為一種精密的微分配工具。今天,該工具被廣泛應用于制造和儀器應用。MicroFab作為壓電噴墨打印技術的先驅者,在能源打印方面有著非常豐富的經驗和技術積累。MicroFab及客戶們正在開發許多替代能源應用,包括有機太陽能電池、硅太陽能電池導體、印刷電池和燃料電池催化劑。 常見太陽能電池主要有晶體硅太陽能電池、薄膜硅太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池、碲化鎘太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池等。通常,太陽能電池包括吸收層和電極層。吸收層的作用是吸收太陽光,并將其轉化為電子-空穴對,在P-N結電場的作用下,空穴由N區流向P區,電子由P區流向N區,接通電路后就形成電流;電極的作用則是將產生的光電流導入外電路。為了進一步提高太陽能電池的光電轉換效率,通常還有緩沖層和減反層等。 目前,絕大多數商用太陽能電池都是采用絲網印刷的方式來制備金屬電極,但絲網印刷存在幾點不足:一是印刷過程中,絲網與基底(硅片)接觸,容易造成硅片的破損;二是絲網印刷往往造成漿料的浪費。因此,噴墨打印技術在制備太陽能電池柵線方面越來越受重視。 中科院蘇州納米所曾采用MicroFab公司的Jetlab?Ⅱ設備打印出鈣鈦礦太陽能電池的透明納米銀線上電極,并實現了全溶液法制備鈣鈦礦太陽能電池的制備。并得到了14.17%的高功率轉換效率和21.2%的平均透光率的鈣鈦礦太陽能電池。 實驗中的納米銀線(AgNW)平均直徑為35nm,長度為15μm,在打印過程中為了避免堵塞噴頭,用異丙醇將其稀釋至1mg/mL,打印速度為16mm/s。實驗中通過改變打印時間來實現銀電極的透明度和導電率的平衡。 通過一步涂覆法制備鈣鈦礦太陽能電池根據先前報告的方法制備結構倒置的平面鈣鈦礦太陽能電池。通過在去污劑、去離子水、丙酮和異丙醇中進行超聲波處理,接著進行30分鐘的紫外線-臭氧(UVO)處理,依次清潔氧化銦錫玻璃。 將PEDOT:PSS溶液旋涂在ITO薄膜上,然后140℃退火處理10min。 PSSNa溶液旋涂法制備薄膜,在140℃退火處理5min。 將甲基碘化銨(MAI,381.7mg)和氯化鉛(氯化鉛,222.5mg,99%)在無水二甲基甲酰胺(1mL)中以60℃過夜以形成鈣鈦礦前體溶液。 用Jetlab?Ⅱ噴墨打印系統將異丙醇分散體中的AgNW直接打印到PC61BM或PC61BM/PEI上,制備了帶有AgNW電極的半透明鈣鈦礦太陽能電池。 最后,在80℃下對印刷有銀納米線電極的太陽能電池進行退火。保持10分鐘。 MicroFab研究團隊曾使用Jetlab?4噴墨打印系統研究有機太陽能電池器件。這種類型的太陽能電池是基于一層結構,其中有源層由混合的電子供體和電子受體材料。對體異質結太陽能電池性能的關鍵參數是供體/受體比,薄膜厚度,以及產生的薄膜的形態。特別地,形態對于有機太陽能電池的效率是非常重要的,因為激子必須在形成后的幾納米內到達供體-受體界面。因此,良好的供體和受體材料的混合是一個良好的設備功能所必需的。除供體/受體比外,影響納米形貌的最重要參數是所使用的加工溶劑、溶質濃度和薄膜制備方法。通過噴墨印刷薄膜,系統研究了油墨成分、基材性能以及不同印刷參數對薄膜性能的影響,以一種快速、可復制、簡單、材料效率高的方式進行噴墨印刷。噴墨印刷作為一種非接觸工藝,還可以實現大面積和卷對卷(R2R)加工。因此,一旦確定了制備有機太陽能電池的合適候選材料,噴墨打印也可以用來制備薄而均勻的活性材料層。 總之,噴墨打印技術是一種原材料利用率高,低成本且工藝簡單非接觸式的制造技術,并且能夠與卷對卷技術相結合,實現器件的大面積制造。從太陽能電池制造角度考慮,噴墨打印技術將是未來的主流。

    • ▲ 在ITO/玻璃上噴墨打印有機光伏器件

      低成本太陽能電池的Drop-on-Denand噴墨打印。完整的有機光伏器件是在25平方毫米的 ITO/玻璃基板上制造的。 通過在ITO上沉積SiO絕緣層以定義3mm寬的中心帶來執行器件區域的圖案化。5x20mm的PEDOT貼片打印在3mm寬的ITO/玻璃中央條上。在PEDOT上,打印了聚合物-富勒烯 (P3HT:C60) 混合物。然后在NREL上沉積鋁陰極以定義0.45cm^2的器件面積。 器件在AM1.5模擬太陽光照下的J-V特性被表征。打印后器件的層,但沒有鋁陰極。上圖左側顯示了一個完整的ITO/玻璃上的太陽能電池器件,其陰極作為背電極。上圖右側是打印的器件的一部分,不同重疊的俯視圖。

    • ▲ 利用柔性薄膜銀陽極制造有機光伏器件

      在“在具有添加劑的柔性銀電極上制造噴墨印刷有機光伏器件”的研究中,相關研究團隊描述了基于柔性薄膜Ag陽極的有機光伏(OPV),該陽極是通過噴墨打?。↗etlab?4噴墨打印系統)使用光活性層的受控沉積來制造的。噴墨印刷的OPV光敏層是一種P3HT:PCBM混合物,并結合了高沸點添加劑1,6-己硫醇,用于改善形態。這些器件顯示出與使用旋涂技術制造的器件相當的功率轉換效率。在沒有ITO電極或旋涂有源層的情況下優化OPV制造程序是實現OPV大規模生產潛力的重要一步。

    • ▲ 太陽能燃料發電機(金屬氧化物光電陽極)

      太陽能驅動的析氧是太陽能燃料發電機中可再生合成含氫和碳燃料的關鍵技術。需要新的光陽極材料來滿足效率和穩定性要求,推動半導體材料的探索,具有(i)可見光譜中的帶隙能量和(ii)在從水中釋放氧氣所需的電化學電位下在水性電解質中穩定運行。受許多Mn基氧化物的析氧能力、幾種含Bi三元氧化物光陽極材料的存在以及將這些元素與Sm結合的各種已知氧化物材料的啟發,相關研究團隊探索了Bi-Mn-Sm氧化物系統以用于新的光陽極。通過在高通量(Jetlab?4噴墨打印系統)篩選中使用鐵/亞鐵氰化物氧化還原對,BiMn2O5及其與Sm的合金被確定為具有1.8eV近乎理想光學帶隙的光陽極材料。使用基于密度泛函理論的莫來石Bi3+Mn3+Mn4+O5相計算,研究人員確定了眾所周知的BiVO4光陽極的電子類似物,并在從pH4.5到15的析氧能斯脫電位之上展示了出色的普貝穩定性。實驗和計算表征表明,BiMn2O5是一種復雜的氧化物,具有成為高效、穩定的太陽能燃料光陽極所必需的光學和化學性質。

    • ▲ 太陽能燃料光陽極(釩酸鉍光電陽極)

      由于太陽能燃料光陽極所需的廣泛特性,提高太陽能析氧的效率對于太陽能燃料技術的發展至關重要,而且具有挑戰性。釩酸鉍,特別是單斜斜雙釩酸鹽相,受到了廣泛關注,并在可見光范圍內帶隙的金屬氧化物中表現出最高的輻射效率。進一步提高其光電化學性能的努力包括將一種或多種金屬合金化到Bi和/或V位點上,但由于替代合金的計算建模困難和共合金成分空間的高維,阻礙了這一前沿的進展。由于替代合金化同時改變了多種材料的性能,因此了解性能改進的根本原因也具有挑戰性,這促使相關研究團隊應用組合材料科學技術來繪制948種獨特的釩酸鉍合金成分的光電化學性能,這些合金成分包含0至8%的 P、Ca、Mo、Eu、Gd和W以及來自這些元素的每對組合的各種成分。在發現(Mo,Gd)共合金空間的顯著改進后,進行結構映射以揭示性能增強和降低的單斜晶畸變之間的顯著相關性。第一性原理密度泛函理論計算表明,這些改進是由于降低了空穴有效質量和空穴極化子形成能量,總的來說,該結果將單斜晶畸變確定為優化和理解釩酸鉍基光陽極的關鍵參數。 (上圖上方為包含光陽極庫中1713個樣品中的189個的基板區域圖像,包括10種不同合金濃度(y)和 6種合金元素中每一種的3種不同的Bi-V化學計量 (x)。下方為每個陽極掃描的自動處理產生最大光電化學能(Pmax)。所有樣品均通過噴墨打?。↗etlab?4噴墨打印系統)在單個庫板、100x150x2.2mm鈉鈣玻璃和TEC-15 SnO2:F涂層上制備。)

    • ▲ 高通量組合合成雙合金稀土雙鈣鈦礦氧化物

      利用噴墨打?。↗etlab?4噴墨打印系統)前體油墨的高通量組合合成,用于快速評估雙合金化成雙鈣鈦礦氧化物以增強可見光吸收。庫板的照片圖像掃描的快速視覺篩選確定了顯示光吸收增加的4金屬氧化物組合物,隨后的紫外-可見光譜表明這是由于帶隙減小。X射線衍射 (XRD) 和拉曼光譜的結構表征表明,視覺上較暗的成分范圍包含(Bi,Sm)2MnNiO6形式的雙合金 Sm2MnNiO6(雙鈣鈦礦結構)。鉍合金化不僅增加了可見光吸收,而且在615°C的相對較低的退火溫度下促進了這種結構的結晶。對稀土(RE)和過渡金屬(TM)與Bi和Mn的另外七種組合的研究表明,在稀土氧化物雙鈣鈦礦家族中,稀土位點上的鉍合金化具有類似的效果。

    • ▲ 加速篩選光伏應用鈣鈦礦成分

      眾多混合鈣鈦礦成分的探索和優化導致了對高通量合成的強烈需求。然而,具有代表性薄膜特性的鈣鈦礦薄膜的高通量制造,可以有效地篩選用于光伏應用的鈣鈦礦組合物,卻很少被探索。在“通過高通量噴墨打印加速篩選光伏應用鈣鈦礦成分”的研究中,開發了一種高通量噴墨打?。↗etlab?4噴墨打印系統)方法,可以自動制造具有高再現性和高速的各種成分的鈣鈦礦薄膜。四種前體的自動順序打印以快速且可重復的方式形成25種混合薄膜。獲得的帶隙、光致發光(PL)峰位置和PL壽命允許有效篩選用于光伏應用的鈣鈦礦組合物。為了舉例說明這一概念,在25個測試薄膜中,兩種成分CH3NH3PbBr0.75I2.25(MA)和(HC(NH2)(2))(0.75)(CH3NH3)(0.25)PbBr0.75I2.25(FA(0.75)MA (0.25))分別具有長(237ns)和短(49.0ns)PL壽命,分別被篩選用于器件研究。正如預期的那樣,基于MA的器件的效率(19.0%)比FA(0.75)MA(0.25)對應物的效率(15.3%)高得多。這種效率提高主要歸因于較小的暗飽和電流密度、較低水平的能量無序、更有效的電荷轉移和減少的電荷復合損失,這與數據庫中更長的PL壽命一致。 (上圖a為四通道非平行DOD噴墨打印機示意圖。圖b為四通道非平行DOD噴墨打印機Jetlab?4-xl的照片。圖c是不同時間噴射的單個鈣鈦礦液滴的照片。圖d是白紙上噴墨打印的鈣鈦礦晶體結構ABX3,具有一種(FAPbI3,左)或兩種(FAPbI3+FAPbBr3,體積比為1:1,右)前驅體。圖e為不同I/Br和FA/MA比值的成分基體,不同顏色和成分的薄膜樣品用1~25的數字標出。)

    • ▲ 鈣鈦礦薄膜

      按需噴墨打印具有成本效益高和圖案化能力強的優點,是一種很有前途的鈣鈦礦圖案沉積技術。然而,到目前為止,大多數使用噴墨打印來制造鈣鈦礦薄膜的報道工作都是在高溫介觀二氧化鈦基板上打印富含溶劑的濕前體層,隨后需要真空輔助熱退火工藝來增強晶體的結晶。鈣鈦礦前體,這在很大程度上提高了制造成本和工藝復雜性。在“環境噴墨打印的高效鈣鈦礦太陽能電池:控制皮升鈣鈦礦液滴的擴散和結晶行為”的研究中,相關研究團隊開發了一種熱輔助噴墨打印工藝,可在環境條件下在平面PEDOT:PSS基板上直接打?。↗etlab?4-xl噴墨打印系統)致密且均勻的結晶鈣鈦礦薄膜。首次系統研究了前驅體組成、印刷溫度、溶劑體系,尤其是印刷參數對印刷鈣鈦礦薄膜最終形貌和微觀結構的影響,并揭示了相關的晶體生長模型,為鈣鈦礦薄膜的最終形態和微觀結構提供了建設性的參考。為環境噴墨打印鈣鈦礦薄膜和器件的未來研究提供指導?;谶@些研究,環境印刷的PSC器件實現了16.6%的冠軍功率轉換效率(PCE)。這項工作為具有低材料消耗的鈣鈦礦薄膜的可擴展制造提供了一種可靠且具有成本效益的方法。

    • ▲ 石墨烯薄膜(鋰電池高性能負極)

      相關研究人員報告了使用溶劑剝離的石墨烯納米片和用納米片在綠色溶劑(即乙醇)和乙基纖維素(作為穩定劑)中制備的相關可打印油墨,通過噴墨打?。▊淞艘粋€直徑為80μm壓電噴頭的Jetlab?4噴墨打印系統)在不同基材上制造大面積連續石墨烯薄膜。打印的薄膜在Ar中進行熱退火以提高導電性并嵌入明確的孔隙率。薄層電阻隨著打印層數的增加而降低,在8個打印周期后達到0.15 kΩ/sq的低值。當打印在銅箔上并直接作為鋰離子電池的潛在負極進行測試時,基于經典鋰嵌入/脫嵌和表面電荷存儲的雙重貢獻,在0.1C下可以獲得942mAh/g的高可逆鋰存儲容量。納米尺寸和多孔性質有助于后者,這也導致了良好的倍率性能,在5C下達到上述可逆容量的40%。此外,即使在相當于2C的相當高的電流密度下,電極在100次循環后仍可保持初始可逆容量的87%??傮w而言,噴墨打印的石墨烯薄膜本身是鋰離子電池的一種很有前途的負極,其開發可能有助于各種重要應用,包括柔性設備和儲能系統。

    • ▲ 燃料電池打印

      多家機構的研究人員在開發基于噴墨的燃料電池制造工藝。具體活動包括:控制昂貴催化劑的沉積;印刷聚合物膜材料;使用組合方法開發新材料;和圖案化粘合劑/密封劑。MicroFab的開發活動包括印刷納米粒子墨水,功能聚合物,粘合劑和3D互連結構。 噴墨技術在燃料電池制造中的一些優勢包括: 鉑等貴重金屬浪費少; 低成本沉積工藝; 高精準度; 直接寫入,數據驅動的過程; 非接觸式印刷; 可擴展到生產; 允許組合方法; 允許在保形表面上打印。

    • ▲ 燃料電池(陰極)

      在噴墨打印多孔銀薄膜作為低溫固體氧化物燃料電池的陰極的研究中,相關研究人員報告了一種多孔銀薄膜陰極,該陰極通過簡單的噴墨打?。↗etlab?4)工藝制造,用于低溫固體氧化物燃料電池應用。在300-450°C下研究了噴墨打印銀陰極的電化學性能,并與通過典型濺射方法制造的銀陰極進行了比較。由于其多孔結構,噴墨打印的銀陰極顯示出較低的電化學阻抗,這促進了氧氣的氣體擴散和氧氣表面吸附-解離反應。典型的濺射納米多孔銀陰極在操作后變得基本致密,并且由于缺乏氧氣供應而顯示出高阻抗。長期燃料電池運行的結果表明,帶有噴墨打印陰極的電池在400°C下具有更穩定的電流輸出超過45小時。高燃料電池性能需要多孔銀陰極,而簡單的噴墨打印技術為這種具有所需熱形態穩定性的理想多孔結構提供了另一種制造方法。

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