一種鈣鈦礦太陽能電池用導電鎳漿及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鈣鈦礦太陽能電池用導電鎳漿及其制備方法，按重量百分比計，其原料組成如下：鎳粉40?60％，納米添加劑4?20％，溶劑35?55％，無機氧化物前驅體0.1?5％。本發(fā)明不僅成分簡單、成本低廉、制備效率高，而且適應范圍廣，特別適用于鈣鈦礦太陽能電池的對電極，由于其具有鎳/氧化鎳核殼結構，其氧化鎳殼為空穴傳輸材料與鈣鈦礦吸光材料的HOMO能級匹配；其核為金屬鎳，具備良好的導電性能，是一種具有很大發(fā)展?jié)摿褪袌銮熬暗男滦蛯щ姖{料。
【專利說明】
一種鈣鈦礦太陽能電池用導電鎳漿及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種鈣鈦礦太陽能電池用導電鎳漿及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著微電子技術的發(fā)展，各種商業(yè)化的微電子器件已深入到人們日常生活的方方面面。然而，大多數(shù)的微電子器件在其制備的過程中都涉及到貴金屬電極的使用，并采用了包括蒸鍍、濺射及氣相沉積在內的各種復雜的制備工藝。這些材料和制備工藝不僅成本高，而且耗能多。在過去的十多年中，人們對溶液化有機與無機半導體的研究不斷取得突破，催生了一種用傳統(tǒng)印刷技術制造各種微電子器件的新技術一印刷電子技術。這種技術采用印刷的方式，可在基底材料上以薄膜形態(tài)沉積各種不同的有機與無機半導體材料而不依賴于基底材料的性質，是一種高效率、低成本、綠色環(huán)保的新型微電子制造技術。因此，近幾年來，包括太陽能電池、電致發(fā)光及電致變色在內的眾多光電領域逐步走上可印刷化發(fā)展道路。
[0003]以太陽能電池為例，占太陽能市場主導地位的硅基太陽能電池技術經(jīng)過數(shù)十年的商業(yè)化發(fā)展后，至今仍無法替代傳統(tǒng)的火電技術。這其中最主要的原因在于硅基太陽能電池的成本還處于相對較高的水平?？梢钥闯?，硅基太陽能電池雖然擁有完整的產(chǎn)業(yè)鏈作為支撐，但其在生產(chǎn)過程中所采用的高能耗工藝與昂貴的材料仍不足以將其成本降低至普及應用的程度。對此，開發(fā)新型光伏技術、突破太陽能電池成本瓶頸是推動未來綠色光伏技術應用的必經(jīng)之路。目前，一種新型鈣鈦礦太陽能電池技術受到了人們的廣泛關注。這種鈣鈦礦太陽能電池可采用濕化學法制備，非常契合印刷技術，具備大規(guī)模印刷制備的前景。其光電轉化效率記錄已經(jīng)達到22.1%，超過了多晶硅太陽能電池效率記錄(21.3%)?？梢灶A見的是，這類可印刷型光伏技術將從根本上突破太陽能電池的成本瓶頸，實現(xiàn)綠色光伏能源的廉價應用。然而在目前的階段，高效鈣鈦礦太陽能電池仍采用了蒸鍍的方式沉積貴金屬電極以滿足其對導電性能的需要。因此，開發(fā)新型廉價可印刷電極對鈣鈦礦太陽能電池未來的商業(yè)化應用意義重大。
[0004]CN103441217A公開了一種基于鈣鈦礦類吸光材料的介觀太陽能電池器件及其制備方法，該介觀太陽能電池器件采用了介孔碳電極作為鈣鈦礦太陽能電池的正極。雖然該碳材料具有成本低廉，穩(wěn)定性良好等優(yōu)點，但其電學性能遠遜于金屬電極。從根本上限制了鈣鈦礦太陽能電池器件效率的進一步提升。
[0005]CN102194898A公開了一種太陽能電池用導電鎳漿及其制備方法，以鎳漿與硅為原料，主要針對硅基太陽能電池設計，該鎳漿與硅的膨脹系數(shù)相近，粘附力好，有效替代了傳統(tǒng)的銀漿。然而這種鎳漿采用的溶劑對鈣鈦礦太陽能電池中的吸光材料有嚴重的腐蝕作用，并且無法構建介孔結構，因此并不適用于鈣鈦礦太陽能電池。
[0006]CN103236289A公開了一種適用于薄膜電路的導電鎳漿，該鎳漿的導電性能良好、附著力達4.5B、硬度為2.2H。同樣，這種鎳漿因含有樹脂、醇、聚乙烯等成分，且所制備的導電鎳膜不具備介孔結構，不宜在鈣鈦礦太陽能電池中使用。
[0007]綜上，開發(fā)新型適用于鈣鈦礦太陽能電池電極的導電鎳膜必需同時滿足兩個要求:1、導電性能好;2、具有介孔結構。這就要求在鎳漿的制備過程中不能加入有機粘結劑，或者在加入有機粘結劑后能通過高溫燒結過程將有機粘結劑除去。另外，由于鎳易氧化成氧化鎳，現(xiàn)有的鎳漿技術無法獲得在300-600Γ燒結成膜后仍具備良好的導電性能的鎳漿。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術中存在的上述不足，提供一種鈣鈦礦太陽能電池用導電鎳漿及其制備方法。
[0009]為解決上述技術問題，本發(fā)明提供的技術方案是:
[0010]提供一種鈣鈦礦太陽能電池用導電鎳漿，按重量百分比計，其原料組成如下:鎳粉40-60%，納米添加劑4-20%，溶劑35-55%，無機氧化物前驅體0.1_5% ；
[0011 ]所述納米添加劑為納米尺寸的銅、鋁、鈦、氧化鈦、氧化鋅、氧化錯、氧化鋁、氧化娃、氧化鎳、氧化亞銅、硫氰化亞銅、碘化亞銅、碳納米管、炭黑、氧化石墨稀、石墨稀中的一種或者多種；
[0012]所述溶劑為水、乙醇、丙醇、叔丁醇、乙腈、丙酮、乙酸乙酯、二甲基亞砜、N，N_二乙基甲酰胺、氯苯中的一種或多種；
[0013]所述無機氧化物前驅體為四氯化鈦、堿式碳酸鋅、氧氯化鋯、異丙醇鋁、正硅酸四乙酯、醋酸鎳、乙酰丙酮鎳、堿式硫酸銅中的一種或者多種，對應的無機氧化物分別為氧化鈦、氧化鋅、氧化鋯、氧化鋁、氧化硅、氧化鎳、氧化鎳、氧化亞銅、氧化鈣、氧化鎂前驅體中的一種或者多種。
[0014]按上述方案，所述鎳粉粒徑為50nm-10ym。
[0015]本發(fā)明所述鈣鈦礦太陽能電池用導電鎳漿的制備方法為:將鎳粉與納米添加劑混合，再依次加入溶劑及無機氧化物前驅體，充分研磨混合均勻得到導電鎳漿。
[0016]本發(fā)明還提供根據(jù)上述鈣鈦礦太陽能電池用導電鎳漿加工得到的鎳/氧化鎳導電膜。
[0017]上述鎳/氧化鎳導電膜的制備方法為:將導電鎳漿通過印刷、涂布或者噴霧方法制膜，再將所得膜進行燒結處理得到鎳/氧化鎳導電膜。
[0018]按上述方案，所述膜為介孔膜。
[0019]按上述方案，所述燒結處理溫度為300-600 °C。
[0020]本發(fā)明采用無機氧化物前驅體在水解、縮合過程中粘結鎳粉，使其在具備良好導電性能的基礎上，在高溫下還具備較強的抗氧化能力。以正硅酸四乙酯為例，正硅酸四乙酯水解生成硅酸，硅酸在鎳膜烘干過程中脫水縮合，形成二氧化硅并粘結鎳粉，使其導電性能增強；同時二氧化硅包裹部分鎳的表面，使得鎳膜在高溫條件下，與氧氣的接觸面積大大減少，提高其抗氧化能力。即使在600°C條件下燒結，鎳顆粒也只有表面很薄一層被氧化，使得鎳膜仍保有較好的導電性能。
[0021]按上述方案，所述印刷技術為噴墨打印、噴霧印刷、絲網(wǎng)印刷、凸(凹)版印刷、狹縫擠出印刷中的一種。
[0022]本發(fā)明通過加入無機氧化物前驅體，使得該鎳漿制膜后在其烘干的過程中無機氧化物前驅體完成水解、縮合反應，有效粘結鎳粉，大大提升所得導電膜的導電性能與機械性能，有利于其作為電極在鈣鈦礦太陽能中迅速傳導電子，提升電池器件效率。
[0023]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明不僅成分簡單、成本低廉、制備效率高，而且適應范圍廣，特別適用于鈣鈦礦太陽能電池的對電極，由于其具有鎳/氧化鎳核殼結構，其氧化鎳殼為空穴傳輸材料與鈣鈦礦吸光材料的HOMO能級匹配;其核為金屬鎳，具備良好的導電性能(所得導電膜在厚度為ΙΟμπι時面電阻為0.02-0.8 Ω/口)，將其應用于鈣鈦礦太陽能電池，能夠獲得較高的光電轉換效率(達5.6-6.8%)，是一種具有很大發(fā)展?jié)摿褪袌銮熬暗男滦蛯щ姖{料。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明實施例1所制備的基于金屬鎳電極的鈣鈦礦電池結構示意圖。
[0025]其中1-透明基板，2-透明導電層、3-空穴阻擋層、4-電子選擇層、5-空間間隔層、6-電子選擇層、7-鎳電極。
【具體實施方式】
[0026]為使本領域技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0027]實施例1
[0028]將10克鎳粉(平均粒徑10微米)混合I克納米氧化鎳，加入至10克水和3.75克乙醇中，添加0.25克乙酰丙酮鎳后，充分研磨，即得到導電鎳漿。將此導電鎳漿通過印刷技術制備薄膜，并在溫度為600°C下燒結制得導電膜，組裝成鈣鈦礦太陽能電池，其結構如圖1所示，由下至上為1-7層，其中I為透明基板，2為透明導電層、3為空穴阻擋層、4為電子選擇層、5為空間間隔層、6為電子選擇層、7為鎳電極。由于鎳在高溫條件下易氧化成氧化鎳，鎳粉部分表面會被氧化，形成鎳/氧化鎳核殼結構。
[0029]電導率測試表明，本實施例所得導電膜在厚度為ΙΟμπι時面電阻為0.5Ω/□。在強度為lOOmW/cm2的模擬太陽能下測試光電性能，結果表明該太陽能電池獲得的短路光電流密度^=10111//0112，開路電壓￥。。= 920111￥，填充因子?？ = 0.61，光電轉換效率11 = 5.6%。
[0030]實施例2
[0031 ]將10克鎳粉(平均粒徑10微米)混合2.5克炭黑，加入至8克水和3.5克乙腈中，添加I克氧氯化鋯后，充分研磨，即得到鎳漿。將此鎳漿通過印刷技術制備薄膜，并在溫度為3500C下燒結制得導電膜，組裝成鈣鈦礦太陽能電池。
[0032]電導率測試表明，該導電膜在厚度為1ym時面電阻為0.8 Ω /口。
[0033]電池效率:在強度為10mW/cm2的模擬太陽能光電性能測試表明，該太陽能電池獲得的短路光電流密度Jsc = 12mA/cm2，開路電壓V。。= 900mV，填充因子FF = 0.63，光電轉換效率η = 6.8% ο
[0034]實施例3
[0035]將10克鎳粉(平均粒徑10微米)混合0.816克納米銅，加入至5克水和0.83克二甲亞砜中，添加0.017克正硅酸四乙酯后，充分研磨，即得到鎳漿。將此鎳漿通過印刷技術制備薄膜，并在溫度為300°C下燒結制得導電膜。
[0036]上述制得的導電鎳膜在膜厚為IΟμπι時面電阻彡0.020 Ω /□，附著力為4Β，硬度〉2H0
[0037]實施例4
[0038]將8克鎳粉(平均粒徑50納米)混合4克石墨烯，加入至6.5克水和0.5克乙酸乙酯中，添加I克正硅酸四乙酯后，充分研磨，即得到鎳漿。將此鎳漿通過印刷技術制備薄膜，并在溫度為300°C下燒結制得導電膜。
[0039]上述制得的導電鎳膜在膜厚為ΙΟμπι時面電阻彡0.012Ω/□，附著力為4B，硬度〉2Η。
【主權項】
1.一種鈣鈦礦太陽能電池用導電鎳漿，其特征在于，按重量百分比計，其原料組成如下:鎳粉40-60%，納米添加劑4-20%，溶劑35-55%，無機氧化物前驅體0.1_5% ； 所述納米添加劑為納米尺寸的銅、鋁、鈦、氧化鈦、氧化鋅、氧化鋯、氧化鋁、氧化硅、氧化鎳、氧化亞銅、硫氰化亞銅、碘化亞銅、碳納米管、炭黑、氧化石墨烯、石墨烯中一種或者多種； 所述溶劑為水、乙醇、丙醇、叔丁醇、乙腈、丙酮、乙酸乙酯、二甲基亞砜、N，N-二乙基甲酰胺、氯苯中的一種或多種； 所述無機氧化物前驅體為四氯化鈦、堿式碳酸鋅、氧氯化鋯、異丙醇鋁、正硅酸四乙酯、醋酸鎳、乙酰丙酮鎳、堿式硫酸銅中的一種或者多種。2.根據(jù)權利要求1所述的鈣鈦礦太陽能電池用導電鎳漿，其特征在于所述鎳粉粒徑為50nm-10umo3.—種權利要求1或2所述的鈣鈦礦太陽能電池用導電鎳漿的制備方法，其特征在于:將鎳粉與納米添加劑混合，再依次加入溶劑及無機氧化物前驅體，充分研磨混合均勻得到導電鎳漿。4.一種根據(jù)權利要求1或2所述的鈣鈦礦太陽能電池用導電鎳漿加工得到的鎳/氧化鎳導電膜。5.—種根據(jù)權利要求4所述的鎳/氧化鎳導電膜的制備方法，其特征在于:將導電鎳漿通過印刷、涂布或者噴霧方法制膜，再將所得膜進行燒結處理得到鎳/氧化鎳導電膜。6.根據(jù)權利要求5所述的鎳/氧化鎳導電膜的制備方法，其特征在于所述膜為介孔膜。7.根據(jù)權利要求5所述的鎳/氧化鎳導電膜的制備方法，其特征在于所述燒結處理溫度為300-600 cC ο
【文檔編號】H01B13/00GK106098141SQ201610616842
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月31日 公開號201610616842.9, CN 106098141 A, CN 106098141A, CN 201610616842, CN-A-106098141, CN106098141 A, CN106098141A, CN201610616842, CN201610616842.9
【發(fā)明人】庫治良, 彭勇, 黃福志, 鐘杰, 程一兵
【申請人】武漢理工大學