钛白粉用于染料敏化太阳能电池的数码印刷

本实验的总体目标是配制、表征和测量二氧化钛油墨在印刷层中的性能。还研究了喷墨打印生产染料敏化太阳能电池的可行性。喷墨打印可用于从基于数字的图像中沉积各种功能性材料。

这种技术的主要优点是能够在基板上制造图案。含有功能性材料的油墨的开发允许使用这种技术生产复杂的电子设备，例如染料敏化太阳能电池。喷墨打印可能会在单个单元作中沉积多层材料，以生产整个设备。

这种方法的视觉演示至关重要，因为油墨流变性和打印参数会强烈影响打印结构的质量。与我一起演示该程序的是增材制造领域的专家 Iulia Salaoru。要开始油墨配制过程，首先将 32 克 0.1 毫摩尔盐酸水溶液添加到 8 克相容溶剂（如二甲基甲酰胺）中。

接下来，加入 1.5 克 45% 丙二醇、四甲基-5-癸-4、7-二醇和乙氧基化醇的水溶液，作为分散添加剂。为防止印刷喷嘴处的墨水干燥，请在混合物中加入 10 克乙二醇以起到保湿剂的作用。继续加入 0.5 克消泡剂、20% 的乙炔二醇溶液和甲氧基聚乙二醇，以防止气泡形成。

随后，通过在密闭容器中用手摇动等分试样 60 秒来测试墨水。如果观察到任何泡沫，请在墨水中再添加 0.5 克消泡剂。摇动测试后，用磁力搅拌器在室温下搅拌油墨溶液 8 小时，以确保均匀性。

然后将溶液添加到 1.5 克二氧化钛纳米颗粒中。使用超声探头对墨水进行 15 分钟的超声处理，以完成墨水的配制。在开始打印之前，将玻璃基板浸泡在含去离子水的 2 重量百分比的清洁清洁剂溶液中 24 小时。

去除基材，并在使用前用去离子水彻底冲洗。在将墨水装入打印墨盒和打印头之前，先通过 5 微米的聚偏二氟乙烯过滤器过滤，然后通过 1.2 微米的过滤器过滤，以去除可能堵塞喷嘴的任何大颗粒。通过打印头侧面的端口用墨水冲洗打印头，以置换储液罐或喷嘴内残留的任何空气或清洁液。

将打印头插入打印机，然后将其连接到打印头个性板。然后将墨水装入位于打印头上方的 150 毫升注射器中，然后将密封盖连接到注射器顶部进行密封。然后，根据制造商的说明将玻璃基板装入打印机。

打开附带的真空泵，然后按真空泵上的清除按钮，通过打印喷嘴清除油墨。使用打印机计算机上的 GIS 软件，连接到打印服务器并设置波形和打印参数。选择并加载所需的图案，然后根据制造商的说明将其打印到玻璃基板上。

要完成该过程，请去除基材，并在热板上加热印刷薄膜。使用金刚石玻璃切割机，在打印区域周围切割，以产生大约 20 毫米见方的较小作品。要开始制造染料敏化太阳能电池，通过在玻璃烧杯中搅拌 20 毫升乙醇和 2 毫克钌染料 8 小时来制备染料溶液。

接下来，将涂有二氧化钛的玻璃浸入染料溶液中，在室温下浸泡 24 小时，让染料吸收到二氧化钛颗粒的表面。从溶液中取出玻璃杯，将涂布的一面朝上放在薄纸上。随后，在导电玻璃顶部，围绕二氧化钛涂层放置一个预切的 60 微米厚的热塑性密封垫片。

将镀铂的对电极放在热塑性密封垫片的顶部，在中心有一个预钻孔，使两个活动侧彼此相对，并且有足够的重叠，以便进行电接触。将电池放在 110 摄氏度的热板上加热。然后用镊子轻轻按压该密封垫片的区域 30 秒，以将电极密封在一起。

通过将 50 毫摩尔碘化三碘化物电解质的乙腈溶液注入预钻孔中，以填充两个电极之间的间隙，完成电池的制造。使用动态光散射测量墨水二氧化钛颗粒的平均尺寸。观察到的总体平均尺寸为 80 纳米，远低于比 40 微米的打印喷嘴开口小 100 倍的要求。

在相同的照明条件下，获得了喷墨打印和商用医生叶片 DSSC 的电流密度和电压曲线。喷墨打印单元的短路电流密度明显低于刮刀单元，表明转换效率较低。喷墨打印和刮刀单元的关键参数是开路电压和短路电流。

这两个参数用于计算电池的效率。使用表面轮廓仪测量的喷墨打印钛白粉层的厚度为 2.6 微米，明显小于 18 微米的刮刀技术。这导致喷墨打印单元的效率降低 3.5%喷墨打印单元和刮刀单元的填充因子都很低。

这表明电池内部的内阻很高，两种设计都有改进的空间。看完这个视频，你应该对如何创建纳米颗粒墨水、使用数字打印技术沉积一层二氧化钛纳米颗粒以及制造染料敏化太阳能电池有很好的了解。正在进行的工作重点是扩展这些方法以提高印刷设备的性能，并评估如何将不同的材料整合到额外的印刷层中。