從噴頭到(dao)設(she)備(bei)，我(wo)們提供(gong)多(duo)種選擇；從科(ke)研到產(chan)業(ye)，我們(men)展示多種(zhong)可能。
材(cai)料沉積噴墨(mo)打印(yin)及
塗(tu)層係(xi)統解(jie)決(jue)方案
Inkjet、EHD、Ultra-sonic等多種微流體(ti)控(kong)製(zhi)技(ji)術相關文(wen)件(jian)、視頻(pin)資料。
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> 應用領域
隨著(zhu)能源(yuan)需求(qiu)與消耗不斷增加，新能源的開發(fa)和利(li)用受到各國的重(zhong)視。利用(yong)光(guang)生伏特效(xiao)應直接(jie)將(jiang)太陽能轉化為(wei)電能的太陽能電池成為國(guo)內(nei)外研究(jiu)的熱門項目。人(ren)們采(cai)用各種印刷(shua)技術用來(lai)製備太陽能電池，其中(zhong)，噴墨打印技術作(zuo)為一種非(fei)接觸(chu)式(shi)的數字成型技術，具(ju)有(you)材料利用率(lv)高(gao)、成本低(di)、適用於柔性基(ji)底沉積等特(te)點(dian)而受(shou)到廣泛關注(zhu)。噴墨打印技術被認(ren)為是新一代太陽能電池製備技術。在過(guo)去(qu)的十年中，噴墨印刷技術已經被視(shi)為一種準(zhun)確的微(wei)分(fen)配(pei)工具。今(jin)天(tian)，該工具被廣泛(fan)應用於製造和儀(yi)器應(ying)用。MicroFab作為壓(ya)電噴墨打印技術的先驅者，在能源打印方麵有著非常(chang)豐富的經驗(yan)和技術積累。MicroFab及客戶們正在開(kai)發許多替(ti)代(dai)能源應用，包(bao)括(kuo)有機太陽能電池、矽(xi)太陽能電池導體、印刷電池和燃料電池催(cui)化劑(ji)。常見(jian)太陽能電池主(zhu)要有晶體矽太陽能電池、薄膜(mo)矽太陽能電池、銅銦(yin)镓(jia)硒太陽能電池、碲化鎘(li)太陽能電池、染(ran)料敏(min)化(hua)太陽能電池、有機太陽能電池等。通(tong)常，太陽能電池包括吸收(shou)層和電極(ji)層。吸(xi)收層的作用是吸收太陽光，並將(jiang)其轉化為電子-空穴對(dui)，在P-N結(jie)電場(chang)的作用下(xia)，空(kong)穴由(you)N區(qu)流(liu)向P區，電子由P區(qu)流(liu)向N區，接通電路後(hou)就(jiu)形(xing)成(cheng)電流；電極的作用則(ze)是將(jiang)產生(sheng)的光電流導入(ru)外(wai)電路。為了進(jin)一步提高太陽能電池的光電轉換(huan)效率，通(tong)常還有緩衝層和減反層等。目前(qian)，絕大(da)多數商用太陽能電池都是采用絲網印刷的方(fang)式來製備金(jin)屬電極，但絲網印刷存(cun)在幾點不足：一是(shi)印刷過程(cheng)中，絲(si)網與基底（矽片）接觸，容易造成矽片(pian)的破損(sun)；二(er)是絲網印刷往(wang)往造(zao)成漿料的浪(lang)費。因此，噴墨打印技術在製備太陽能電池柵線(xian)方麵越來越(yue)受重視。中科院蘇(su)州(zhou)納米所曾(ceng)采用MicroFab公司(si)的Jetlab Ⅱ設備打印出鈣(gai)鈦礦太陽能電池的透(tou)明納米銀(yin)線上(shang)電極，並(bing)實現(xian)了(le)全溶液法製備鈣鈦礦太陽能電池的製備。並得到了14.17%的高功率轉換效率和21.2%的平均透光率的鈣鈦(tai)礦太陽能電池。實(shi)驗中的納米銀線（AgNW）平均(jun)直徑為35nm，長(zhang)度為15μm，在打印過程中為了避(bi)免堵(du)塞噴頭，用異(yi)丙醇將(jiang)其(qi)稀(xi)釋至(zhi)1mg/mL，打印速度(du)為16mm/s。實驗中通過改變打印時(shi)間來實現銀電極的透明(ming)度和導電率的平衡。通過一步(bu)塗覆(fu)法製備鈣鈦礦太陽能電池根據(ju)先前報告的方法製備結構倒(dao)置的平(ping)麵鈣鈦礦太陽能電池。通過在去汙劑、去離(li)子水(shui)、丙酮和異丙醇中進行(xing)超(chao)聲(sheng)波(bo)處(chu)理，接著進行30分鍾的紫外線-臭氧（UVO）處理，依次(ci)清潔氧化銦錫玻璃(li)。將(jiang)PEDOT:PSS溶液旋(xuan)塗在ITO薄膜上，然後140℃退火(huo)處理(li)10min。PSSNa溶液旋塗法製備薄膜，在140℃退火(huo)處理(li)5min。將(jiang)甲基碘化銨（MAI，381.7mg）和氯(lv)化鉛（氯(lv)化鉛，222.5mg，99%）在無(wu)水二甲基甲(jia)酰胺（1mL）中以(yi)60℃過夜以形成鈣鈦礦前體溶液。用Jetlab Ⅱ噴墨打印係統將(jiang)異丙醇分散體中的AgNW直(zhi)接打印到PC61BM或PC61BM/PEI上，製備了帶有AgNW電極的半透明鈣鈦礦太陽能電池。最後，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分鍾。MicroFab研究團(tuan)隊曾使用Jetlab 4噴墨打印係統研究有機(ji)太陽能電池器件。這種類(lei)型的太陽能電池是基於(yu)一層結構(gou)，其中(zhong)有源層由混合的電子供體和電子受體材料。對體異質(zhi)結太陽能電池性(xing)能的關(guan)鍵參(can)數(shu)是供體/受體比，薄膜厚(hou)度，以及(ji)產生的薄膜的形態。特別地，形態對於有機太陽能電池的效率是非常重要的，因為激子必須(xu)在形成後的幾納米內到達(da)供體-受體界麵。因此，良好(hao)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(bi)外，影響(xiang)納米形貌的 重要參數是所使用的加工溶(rong)劑、溶質濃(nong)度和薄膜製備方法。通過噴墨印刷薄膜，係統研究了油墨成分、基材性能以及不同(tong)印刷參數對薄膜性能的影響，以一種快(kuai)速(su)、可複(fu)製、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，還可以實現大麵積和卷對卷（R2R）加工。因此，一旦確定(ding)了製備有機太陽能電池的合適候選材料，噴墨打印也可以用來製備薄而均勻的活(huo)性材料層。總之，噴墨打印技術是一種原(yuan)材料利用率高，低成本且工藝簡(jian)單非接觸式的製造技術，並且(qie)能夠(gou)與卷對卷技術相結合，實現器件的大麵積製造。從太陽能電池製造角度考慮(lv)，噴墨打印技術將(jiang)是未來的主流。
低成本太陽能電池的Drop-on-Denand噴墨打印。完(wan)整(zheng)的有機光伏(fu)器(qi)件是在25平方毫米的 ITO/玻璃基板(ban)上製造的。 通過在ITO上沉積SiO絕緣層以定義3mm寬(kuan)的中心帶(dai)來執行器件區域(yu)的圖(tu)案化。5x20mm的PEDOT貼(tie)片打印在3mm寬的ITO/玻璃中央條(tiao)上。在PEDOT上，打印了聚合物-富勒(lei)烯(xi) (P3HT:C60) 混合物。然(ran)後在NREL上沉積鋁陰(yin)極以定義0.45cm^2的器件麵積。 器件在AM1.5模擬太陽光照下的J-V特性被(bei)表征(zheng)。打印後器件的層，但沒(mei)有鋁(lv)陰極。上圖左(zuo)側顯示了一個完整的ITO/玻(bo)璃上的太陽能電池器件，其陰極作為背(bei)電極。上圖右側(ce)是打印的器件的一部分，不同重疊的俯視圖。
在“在具有添(tian)加(jia)劑的柔性銀電極上製造噴墨印刷有機光伏器件”的研究中，相(xiang)關研究團隊(dui)描(miao)述(shu)了基於柔(rou)性薄膜Ag陽極的有機光伏(OPV)，該(gai)陽極是通過噴墨打印（Jetlab 4噴墨打印係統）使(shi)用光活性層的受控沉積來製造的。噴墨印刷的OPV光敏層是一種P3HT:PCBM混合物，並結合了高沸點添加劑1,6-己硫醇，用於改(gai)善形態。這些(xie)器件顯示出與使用旋塗技術製造的器件相當的功率轉(zhuan)換效率。在沒有ITO電極或旋塗有源層的情況下優化OPV製造程序(xu)是實現OPV大規模(mo)生產潛力的重要一步。
太陽能驅動(dong)的析(xi)氧是太陽能燃料發電機中可(ke)再生合成含氫和碳燃料的關鍵(jian)技術。需要新(xin)的光陽極材料來滿(man)足效率和穩(wen)定性要求，推動半(ban)導(dao)體材料的探索，具有（i）可見光譜中的帶隙能量(liang)和（ii）在從水中釋放(fang)氧氣所(suo)需(xu)的電化學電位(wei)下在水性電解質中穩定運行。受許多Mn基氧化物的析氧(yang)能力(li)、幾種含Bi三(san)元(yuan)氧化物光陽極材料的存在以及將這些元素與(yu)Sm結合的各(ge)種已(yi)知(zhi)氧化物材料的啟發，相關研究團隊探索了Bi-Mn-Sm氧化物係統以用於新的光陽極。通過在高通量(Jetlab 4噴墨打印係統)篩選(xuan)中使用鐵/亞鐵(tie)氰(qing)化物氧化還(hai)原對，BiMn2O5及其與Sm的合金被確定為具有1.8eV近乎(hu)理想(xiang)光學帶隙的光陽極材料。使用基於密度泛函理論的莫(mo)來石Bi3+Mn3+Mn4+O5相計(ji)算(suan)，研究人員(yuan)確定了眾所周(zhou)知的BiVO4光陽極的電子類似物，並在從pH4.5到15的析氧能斯脫電位之上展示(shi)了出(chu)色的普貝(bei)穩定性。實驗和計算表征表明，BiMn2O5是一種複雜的氧化物，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。
由於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於太陽能燃料技術的發展至關重要，而且具有挑戰性。釩(fan)酸(suan)鉍(bi)，特別是單斜(xie)斜雙(shuang)釩酸鹽相，受到了廣泛關注，並在可見光範圍(wei)內帶隙的金屬(shu)氧化物中表現出 高的輻射效率。進一步提(ti)高其光電化學性能的努力包括將一種或(huo)多種金屬合金化到Bi和/或(huo)V位點上，但(dan)由於替代合金的計算建(jian)模困難(nan)和共合金成分空間(jian)的高維，阻(zu)礙(ai)了這(zhe)一前沿的進展。由於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(yin)也(ye)具有挑戰性，這促使相關研究團隊應用組(zu)合材料科學技術來繪製948種獨特的釩(fan)酸(suan)鉍(bi)合金成分的光電化學性能，這些合金成分包含(han)0至8%的 P、Ca、Mo、Eu、Gd和W以及來自(zi)這些元素(su)的每(mei)對組合的各種成分。在發現(Mo,Gd)共合金空間的顯(xian)著改進後，進行結構映射以揭示性能增強和降(jiang)低的單(dan)斜晶畸(ji)變(bian)之間的顯著相關性。第(di)一性原理密度泛函理論(lun)計算表明，這些改進是由於降低了空穴有效質量和空穴(xue)極化子形成能量，總(zong)的來說，該結果將單斜晶畸變確定為優化和理解釩(fan)酸(suan)鉍(bi)基光陽極的關鍵參數。 （上圖上方為包含光陽極庫中1713個(ge)樣(yang)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(sao)描的自動處理產生 大光電化學能(Pmax)。所有樣品均通過噴墨打印（Jetlab 4噴墨打印係統）在單個庫板、100x150x2.2mm鈉(na)鈣玻璃和TEC-15 SnO2:F塗層上製備。）
利用噴墨打印（Jetlab 4噴墨打印係統）前體油(you)墨的高通量組合合成，用於快速評(ping)估(gu)雙合金化成雙鈣鈦礦氧化物以增強可見光吸收。庫(ku)板的照片圖像(xiang)掃描的快速視覺(jue)篩(shai)選確定了顯示光吸收增(zeng)加的4金屬氧化物組合物，隨(sui)後的紫外-可見光譜表明這是由於帶隙(xi)減小。X射線衍(yan)射 (XRD) 和拉(la)曼光譜(pu)的結構表征表明，視覺上較(jiao)暗(an)的成分範圍包含(Bi,Sm)2MnNiO6形式的雙合金 Sm2MnNiO6（雙鈣鈦礦結構）。鉍合金化不僅(jin)增加了可見光吸收，而且在615°C的相對較低的退(tui)火溫(wen)度下促進了這種結構的結晶。對稀土(tu)(RE)和過渡(du)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(shi)的效果。
眾多混合鈣鈦礦成分的探索(suo)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製造，可以有效地(di)篩選用於光伏應用的鈣鈦礦組合物，卻(que)很少(shao)被探(tan)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印（Jetlab 4噴墨打印係統）方法，可以自動製造具有高再(zai)現性和高速的各種成分的鈣鈦礦薄膜。四(si)種前體的自動順(shun)序打印以快速且可重複的方式形成25種混合薄膜。獲(huo)得的帶隙、光致(zhi)發光(PL)峰(feng)位置和PL壽命(ming)允許(xu)有效篩選用於光伏應用的鈣鈦礦組合物。為了舉(ju)例說明這一概(gai)念，在25個測(ce)試(shi)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(ming)，分別被篩選用於器件研究。正如預期的那樣，基於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於較小的暗飽和電流密(mi)度、較低水平的能量無序、更(geng)有效的電荷轉移和減少的電荷(he)複合損失(shi)，這與數據庫中更長的PL壽命(ming)一致。 （上圖a為四通道非平行DOD噴墨打印機示意(yi)圖。圖b為四通道非平行DOD噴墨打印機Jetlab 4-xl的照(zhao)片。圖c是不同時間噴射的單個鈣鈦礦液滴的照(zhao)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(liang)種（FAPbI3+FAPbBr3，體積比為1:1，右(you)）前驅體。圖e為不同I/Br和FA/MA比值的成分基體，不同顏(yan)色和成分的薄膜樣品用1～25的數字標(biao)出。）
按需噴墨打印具有成本效益(yi)高和圖案化能力強的優點，是一種很(hen)有前途的鈣鈦礦圖案沉積技術。然而，到目(mu)前為止，大多數使用噴墨打印來製造鈣鈦礦薄膜的報(bao)道(dao)工作都(dou)是在高溫介(jie)觀(guan)二氧化鈦基板上打印富(fu)含溶劑的濕(shi)前體層，隨後需要(yao)真空輔(fu)助(zhu)熱退火工藝來增強(qiang)晶體的結晶。鈣鈦礦前體，這在很大程度上提高了製造成本和工藝(yi)複雜性。在“環(huan)境噴墨打印的高效鈣鈦礦太陽能電池：控製皮(pi)升(sheng)鈣鈦礦液滴的擴(kuo)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(jing)條件下在平麵PEDOT:PSS基板上直接打印（Jetlab 4-xl噴墨打印係統）致密且均勻(yun)的結晶鈣鈦礦薄膜。初次係統研究了前驅體組成、印刷溫度、溶劑體係，尤其是印刷參數對印刷鈣鈦礦薄膜最(zui)終形貌和微觀結構的影響，並揭(jie)示了相關的晶體生長模型，為鈣鈦礦薄膜的最終(zhong)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(wei)來研究提供指導。基於這些研究，環境印刷的PSC器件實現了16.6%的冠軍功(gong)率轉換效率(PCE)。這項(xiang)工作為具有低材料消(xiao)耗的鈣鈦礦薄膜的可擴展製造提供了一種可靠(kao)且具有成本效益的方法。
相關研究人員報告(gao)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(yi)醇）和乙基纖維(wei)素（作為穩定劑）中製備的相關可打印油墨，通過噴墨打印（備了一個直徑為80μm壓電噴頭(tou)的Jetlab 4噴墨打印係統）在不同基材上製造大麵積連(lian)續石墨烯薄膜。打印的薄膜在Ar中進行熱(re)退火以提高導電性並嵌入明確的孔(kong)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(qi)後達到0.15 kΩ/sq的低值(zhi)。當打印在銅箔(bo)上並直接作為鋰離子電池的潛在負(fu)極進行測試時，基於經(jing)典鋰嵌入/脫(tuo)嵌(qian)和表麵電荷存儲的雙重貢(gong)獻(xian)，在0.1C下可以獲得942mAh/g的高可逆鋰存儲容(rong)量。納米尺寸(cun)和多孔性質有助於後者(zhe)，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(dang)於2C的相當高的電流密度下，電極在100次循環後仍可保持初(chu)始(shi)可逆容量的87%。總體而言(yan)，噴墨打印的石(shi)墨烯薄膜本身是鋰離子電池的一種很有前途的負極，其開發可能有助於各種重要應用，包括柔性設備和儲(chu)能係統。
多家機構的研究人員在開發基於噴墨的燃料電池製造工藝。具體活動包括：控製昂(ang)貴催化劑的沉積；印刷聚(ju)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(li)子墨水，功能聚合物，粘(zhan)合劑和3D互連結構。 噴墨技術在燃料電池製造中的一些優勢包括： 鉑等貴重金屬浪費(fei)少； 低成本沉積工藝； 高精準度; 直接寫(xie)入，數據驅(qu)動的過程； 非接觸式印刷； 可擴展到生產； 允(yun)許組合方法； 允許在保形表麵上打印。
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印（Jetlab 4）工藝製造，用於低溫固(gu)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，並與通過典型濺射(she)方法製造的銀陰極進行了比較。由於其多孔結構，噴墨打印的銀陰極顯示出較低的電化學阻抗，這促(cu)進了氧氣(qi)的氣體擴散(san)和氧氣表麵吸附-解離反應。典型的濺射納米多孔銀陰極在操(cao)作後變得基本致密，並且由於缺乏氧氣供應而顯示出高阻抗。長期燃料電池運行的結果(guo)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(ling)一種製造方法。
在“使用噴墨打印催化劑的圖案(an)化垂直排(pai)列碳(tan)納米管的高產率生長”的研究中，報告了通過使用噴墨印打印沉積納米顆粒懸(xuan)浮(fu)液，在生長基板上的特定位置製造垂直排列的碳納米管。碳納米管作為垂直排列(lie)的森(sen)林(lin)以高產率生長到大約400μm的長度。與傳(chuan)統的圖案化技術（例如電子束光刻或光刻(ke)）相比，用於催化劑製造的噴墨打印顯著提高了垂(chui)直排列的圖案化納米管林的生產率。（2013）（結果表明，噴墨印刷中碳納米管(guan)森林的生長與化學氣相沉積 (CVD) 製造的碳納米管森林相似，但所需的處理時間更短。）
