سنتز جوهر نقره و چاپ مستقیم آن به عنوان جمع کننده جریان در سلول های خورشیدی حساس شده با رنگینه

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

دوره 13، شماره 49، آبان 1401، صفحه 41-56   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/jnm.2023.31897.1996

نویسندگان

سجاد کشاورز¹؛ علی مشرقی^{* 2}

¹دانش‌آموخته کارشناسی ارشد رشته مهندسی مواد، دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران.

²دانشیار، دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران.

تاریخ دریافت: 24 اردیبهشت 1402،  تاریخ بازنگری: 28 تیر 1402،  تاریخ پذیرش: 02 مرداد 1402 

چکیده

چکیده
مقدمه: چاپ جوهر رسانا یکی از روشهای ایجاد خطوط رسانای نقره در ادوات الکترونیکی است. در این پژوهش، جوهر رسانای نقره با گرانروی مناسب سنتز شد. سپس جوهر سنتز شده به روش چاپ مستقیم جوهر روی الکترودهای سلول خورشیدی حساس شده با رنگینه اعمال و نقش آن در افزایش بازده سلول بررسی گردید.
روش­: جوهر نقره به روش لویس-واکر سنتز شد. ابتدا استات نقره در آمونیوم هیدروکساید حل و سپس فرمیک اسید به عنوان عامل احیا کننده به صورت قطره قطره به آن اضافه شد. برای افزایش گرانروی جوهر، هیدروکسی اتیل سلولوز به آن افزوده شد. دستگاه چاپ جوهر در آزمایشگاه ساخته و پارامترهای مختلف فرآیند چاپ مستقیم جوهر مورد بررسی قرار گرفت. سلول خورشیدی حساس شده با رنگینه از اتصال الکترود فوتوآند و الکترود مقابل و تزریق الکترولیت به فضای بین آن دو ساخته شد. فوتوآند از لایه متخلخل حساس شده با رنگینه N719 روی FTO و الکترود مقابل از لایه پلاتین روی FTO تشکیل شده است. در آخر خطوط رسانای نقره روی دو الکترود اعمال شد و پارامتر های فوتوولتاییک آن تحت نور خورشید شبیه سازی شده با شدت 100 وات بر سانتیمتر مربع اندازه گیری شد.
یافته­ها: از بین غلظت های مختلف هیدروکسی اتیل سلولوز، غلظت جرمی 3/2% بهترین نتیجه را حاصل کرد. فاصله بین نوک نازل از زیرلایه، کمتر از یک مقدار بحرانی، تاثیری بر خط نقره اعمال شده نداشت اما بیشتر از آن خطوط حاصل ناپیوسته شد. با افزایش نرخ تزریق جوهر، این فاصله بحرانی افزایش یافت. افزایش نرخ تزریق جوهر منجر به افزایش ضخامت و عرض لایه اعمال شده گردید. دمای 360 درجه سانتیگراد به عنوان کمترین دمای تفجوشی که منجر به مقاومت الکتریکی نزدیک به صفر می شود اندازه گیری شد. مشاهدات نشان داد که اعمال خطوط نقره ساخته شده در این پژوهش بر سلول های خورشیدی حساس شده با رنگینه سبب افزایش بازده آنها از 5/1% به 8/2% می شود.
نتیجه گیری: جوهر نقره با موفقیت سنتز شد و پارامترهای بهینه فرآیند اعمال آن بر زیرلایه بدست آمد. از جوهر سنتز شده برای ساخت خطوط رسانای سلول خورشیدی حساس شده با رنگینه استفاده شد و افزایش بازده مشاهده گردید.

کلیدواژه‌ها

سلول خورشیدی؛ جوهر رسانای نقره؛ چاپ مستقیم جوهر؛ خطوط جمع کننده جریان؛ گرانروی

عنوان مقاله [English]

Synthesis and direct ink writing of silver ink for fabricating current collecting lines of dye sensitized solar cells

نویسندگان [English]

Sajjad Keshavarz¹؛ Ali Mashreghi²

¹M.Sc. graduated of Materials Science and Engineering, Department of Materials Science and Engineering, Shiraz University of Technology, Shiraz, Iran.

²Associate Professor of Materials Science and Engineering, Department of Materials Science and Engineering, Shiraz University of Technology, Shiraz, Iran.

چکیده [English]

Abstract
Introduction: Conductive gridline is essential part of electronic devices. Direct ink writing is fast and simple method for gridline deposition. In this work, silver ink suitable for direct ink writing was synthesized. Thereafter, the effect of writing process parameters was investigated. Then, silver conductive lines were deposited on electrodes of the dye sensitized solar cell (DSSC) by direct ink writing and its role in increasing the efficiency of DSSC was investigated.    
Methods: Silver ink was synthesized according to Lewis-Walker method. Silver acetate was dissolved in ammonium hydroxide and formic acid was added as reducing agent. The viscosity of ink was tuned by adding hydroxyethyl cellulose (HEC). Direct ink writing apparatus was built in our lab. Different ink writing process parameters were investigated. Photoanode and counter electrode of DSSC were fabricated on FTO substrates. Photoanode composed of N719 dye sensitized TiO₂ nanoparticles and counter electrode consisted of platinum thin film. The distance between electrodes was filled by electrolyte. Finally, silver lines were written on electrodes of DSSC to obtain conductive gridlines.    
Findings: 2.3 wt% HEC gave the best result. It was found that nozzle-substrate distance has no influence on shape and electrical resistance. However, at higher distances printed lines became disconnected. Width and thickness of silver gridline increased with injection rate and value of 0.48 ml/min was optimum value. Sintering at 360 ˚C was proposed for following steps. By applying silver gridlines on DSSC, fill factor and power conversion efficiency (η) increased significantly. η increased from 1.5% to 2.8%.  

کلیدواژه‌ها [English]

Solar cell, Conductive silver ink, Direct ink writing, Current collecting lines, Viscosity

مراجع

1. Forrest, S.R., Organic electronics: Foundations to Applications, Oxford University Press, 2020.
2. Colniță, A., Marconi, D., Dina, N.E., Brezeștean, I., Bogdan, D. and Turcu, I. 2022. 3D silver metallized nanotrenches fabricated by nanoimprint lithography as flexible SERS detection platform, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 276: 121232.
3. Aleem, M., Vishnuraj, R., Krishnan, B., Ashok, A., and Pullithadathil, B. 2023. Narrow line width Ni‐Cu‐Sn front contact metallization patterns for low‐cost high‐efficiency crystalline silicon solar cells using nano‐imprint lithography, Energy Technolog, doi.org/10.1002/ente.202300090
4. Cosnahan, T., Watt, A.A.R. and Assender, H.E. 2018. Modelling of a vacuum metallization patterning method for organic electronics, Surface and Coatings Technology, 336: 128-132.
5. Wu, P.C., Lai, Y.C., Lee, P.I., Chiang, M.T., Chou, J., and Chuang, T.H. 2021. Sputtering of Ag (111) nanotwinned films on Si (100) wafers for backside metallization of power devices. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 32: 7319-7329.
6. Girolamo, D.D. and Dini, D. 2022. Electrodeposition as a versatile preparative tool for perovskite photovoltaics: aspects of metallization and selective contacts/active layer formation, RRL Solar, 6: 2100993 (1-10).
7. Kim, H., Kim, J.G., Park, J.W., and Chu, C.N. 2018. Selective copper metallization of nonconductive materials using jet-circulating electrodeposition, Precision Engineering, 51: 153-159.
8. Tsuji, K., Suzuki, S., Dhamrin, M., Adrian, A., Buck, T., and Usami, N. 2022. Fine line screen-printing aluminum for front side p+ metallization of high efficiency solar cells, AIP Conference Proceedings, 2487: 130014 (1-8).
9. Yüce, C., König, M., and Willenbacher, N. 2018. Rheology and screen-printing performance of model silver pastes for metallization of Si-solar cells, Coatings, 8: 406.
10. Walker, S.B. 2013. Synthesis and Patterning of Reactive Silver Inks, Doctoral dissertation, University of Illinois at Urbana-Champaign.
11. Hon, K.K.B., Li, L. and Hutchings, I.M. 2008. Direct Writing Technology—Advances and Developments, CIRP Annals-Manufacturing Technology, 57: 601-620,
12. Sun, J. 2010. Micropen Direct-Write Technique for Fabrication of Advanced Electroceramic and Optical Materials, Doctoral dissertation, Rutgers University-Graduate School-New Brunswick.
13. سید احمد هاشم پور چشمه گل، علی مشرقی، بهینه سازی پارامترهای سنتز نانوسیمهای نقره به روش پلی ال، مجله مواد نوین/ جلد 13/شماره 45 /پاییز ١400، صفحه 21-32.
14. Walker, S.B. and Lewis, J. A. 2012. Reactive Silver Inks for Patterning High-Conductivity Features at Mild Temperatures, Journal of the American Chemical Society, 134, 1419-1421.
15. Walker, S.B. and Lewis, J.A. 2012. Ink Composition for Making A Conductive Silver Structure, U.S. Patent Application 14/368,202.
16. Richhariya, G., Meikap, B.C. and Kumar, A. 2022. Review on fabrication methodologies and its impacts on performance of dye-sensitized solar cells, Environmental Science and Pollution Research, 29: 15233–15251.