[发明专利]导电性纳米颗粒墨和糊状物及其应用

说明书

本申请要求2007年10月9日申请的美国临时专利申请第60/978,655号的优先权。

背景技术

在多种工业中的各种应用需要新型且更好的纳米结构材料，所述工业包括但不限于生物技术、诊断学、能源以及电子学。例如，电子制造商不断地争取减少成本并增加该电子装置及组件的功能性。一种降低成本的新兴策略是使用基于溶液的墨将电子设备直接印刷至低成本的塑料薄膜上。所谓的印刷电子学是指以高生产量及低成本卷盘到卷盘(reel-to-reel，R2R)方式使用已经在印刷工业中使用的方法制造功能性电子装置的技术，方法诸如喷墨印刷、凹版印刷、丝网印刷、胶版印刷、平版印刷等。印刷电子学的一实例是使用金属纳米颗粒的图案的喷墨印刷形成导体，来建构电路。此方法在例如“在有机电子学及显示器制造中的印刷技术的应用(Applications of PrintingTechnology in Organic Electronics and Display Fabrication)”中论述，作者Subramanian，发表在Half Moon Bay Maskless Lithography Workshop，DARPA/SRC，HalfMoon Bay，2000年11月9-10中。

纳米颗粒的材料在性质上与其较大尺寸的对应物(counterparts)不同。例如，纳米颗粒的最具特征的特点之一是基于尺寸的表面熔点降低。(Ph.Buffat等人：“尺寸对黄金粒子的熔融温度的影响(Size effect on on the metlingtemperature of gold particles)”Physical Review A，卷13，第6号，1976年六月，2287-2297页；A，N.Goldstein等人：“半导体纳米晶体中的熔融(Meltingin Semiconductor Nanocrystals)”Nature，卷256，2002年6月5日，1425-1427页；以及K.K.Nanda等人：“低尺寸系统的基于尺寸的熔融的液滴模型(Liquid-drop model for the size-dependent melting of low-dimentional systems)”Physical Review，A 66(2002)，第013208-1至013208-8页)。此性质使金属纳米颗粒能够熔融或烧结成在相对低温下具有良好导电性的多晶薄膜。

导电性金属纳米颗粒墨(ink)及糊状物是印制电子学装置的最重要的成分材料之一。其中，银纳米颗粒墨及糊状物成为在电子学应用中使用最广泛的。然而，这些颗粒墨及糊状物在应用于由硅(硅是目前约98％的市售光伏装置的主要组分)制造的电子装置中产生了一个问题。在这些装置中，90％是制造于晶体硅晶片(或者单晶硅(sc-Si)或者多晶硅(mc-Si)晶片)上，8％是制造于非晶硅上。良好的欧姆接触(即低电阻接触)在某些情况下仅能在温度约800℃下，将位于基于硅的半导体材料上的银热退火获得(参见实例Kontermann等人：“对具有银厚膜接触的硅太阳能电池的不同退火步骤的影响的研究(Investigations on the influence of different annealing steps onsilicon solar cells with silver thick film contacts)”22^nd“欧洲光伏太阳能会议及展览会，3；2007年9月，意大利米兰)。本领域技术人员熟知低电阻、稳定的接触对集成电路(ICs)的性能及可靠性是重要的，且在某些情况中是至关重要的，其制造及表征是在电路制造的主要工作(major efforts)。然而，在高温下的热处理可严重损坏基于硅的装置的性能，诸如：CMOS电路、非晶硅TFTs、纳米晶体硅装置、在n型晶片上的光伏电池、非晶硅薄膜光伏装置，以及任何在塑料基板上的印刷电子装置，即使不是完全摧毁。

在多数工业晶体硅PV生产方法中，前电极是通过如下工序制造的：在晶片的表面上将银糊状物丝网印刷，接着进行热步骤，所述热步骤包括加热至高于约800℃。结果，95％市售PV电池是由sc-Si或者p型mc-Si晶片制造，因为由n型mc-Si以及非晶硅制造的PV电池无法耐受该高温处理。高温可毁坏在PV电池中的p-n接合，因此使PV装置丧失功能性。新兴的证据显示n型Czchralski mc-Si作为PV装置的材料在电子学上优于p型材料。