CN106811794A

CN106811794A - 用于钙钛矿晶体的结晶生长板、结晶釜及结晶装置

Info

Publication number: CN106811794A
Application number: CN201710124374.8A
Authority: CN
Inventors: 范利生; 田清勇; 瞿光胤; 陈加坡; 范斌
Original assignee: Suzhou Gcl Energy Technology Development Co Ltd; Suzhou Xiexin Nano Technology Co Ltd
Current assignee: Kunshan Gcl Photoelectric Materials Co ltd
Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2017-06-09

Abstract

本发明涉及一种用于钙钛矿晶体的结晶生长板，包括：本体，包括用于晶体生长的第一面以及与所述第一面相对的第二面；高表面能结构，设于所述本体的第一面；以及低表面能结构，设于所述本体的第二面。上述用于钙钛矿晶体的结晶生长板，由于在第一面(即正面)设有高表面能结构，且在第二面(即背面)设有低表面能结构，这样有利于晶体的正面的结晶机率，同时还有利于控制晶体生长。本发明还公开了一种钙钛矿晶体的结晶釜及钙钛矿晶体的结晶装置。

Description

用于钙钛矿晶体的结晶生长板、结晶釜及结晶装置

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种用于钙钛矿晶体的结晶生长板、结晶釜及结晶装置。

背景技术

随着社会的发展，人口的急剧增加以及对更高生活水平的追求，人均消耗的能源越来越高，以石油、煤炭和天然气等化石能源为基础的能源结构无法完全满足人类的需求，且化石能源为非可再生能源，储量有限、开发成本高且使用过程中易造成环境污染等因素。为了更好的解决能源问题，人们开发了多种新型清洁能源，如：风能、潮汐能、地热能、生物质能源、核能和太阳能等。其中，太阳能是由太阳内部的核聚变反应产生的能量。尽管地球大气层获取的太阳辐射能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但这些能量依然高达173000TW，平均每秒钟地球接收太阳辐射能量相当于燃烧500万吨煤，由此可见太阳能隐含的巨大潜力。由于技术复杂性和费效比等原因，太阳能被认为是最有潜力及开发价值的新型清洁能源，利用太阳能电池发电被认为是最具前景的方法之一。

钙钛矿太阳能电池是近几年出现的一种新型太阳能电池，因结构简单、原料来源广、制备工艺简单、价格低廉、可制备大面积柔性电池等特点，以受到越来越多人们的广泛关注。

钙钛矿太阳能电池，由于以MAPbI₃为代表的钙钛矿吸光材料具有优异的光电性能，高载流子迁移率(单晶66cm²V^-1s^-1，多晶11.6cm²V^-1s^-1)、包括长电子空穴扩散距离(单晶大于175μm，多晶大于1μm)、高吸光系数及宽广的吸光范围(覆盖整个可见光区)，使得钙钛矿太阳能电池领域在短时间内得到飞速发展。

但是，目前钙钛矿晶体制备还停留在实验室级别，钙钛矿晶体的供应量完全无法满足钙钛矿电池工业化需求。

发明内容

基于此，有必要针对现有的钙钛矿晶体无法工业化生产的问题，提供一种可工业化生产钙钛矿晶体的结晶生长板。

一种用于钙钛矿晶体的结晶生长板，包括：

本体，包括用于晶体生长的第一面以及与所述第一面相对的第二面；

高表面能结构，设于所述本体的第一面；

以及低表面能结构，设于所述本体的第二面。

上述用于钙钛矿晶体的结晶生长板，由于在第一面(即正面)设有高表面能结构，且在第二面(即背面)设有低表面能结构，这样有利于晶体在正面的结晶机率，同时还有利于控制晶体生长，从而可工业化生产钙钛矿晶体。

在其中一个实施例中，所述高表面能结构为附于所述本体上的亲水材料层。

在其中一个实施例中，所述亲水材料层中的亲水材料选自聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、和聚丙烯酸中的一种或几种。

在其中一个实施例中，所述低表面能结构为附于所述本体上的疏水材料层。

在其中一个实施例中，所述疏水材料层中的疏水材料选自聚丙烯、聚偏氟二烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、和氟代聚硅氧烷中的一种或几种。

在其中一个实施例中，所述本体呈网筛状。

在其中一个实施例中，所述本体的孔径为50～100目。

在其中一个实施例中，所述本体的材质为不锈钢、铝合金、或钢化玻璃。

本发明还提供了一种钙钛矿晶体结晶釜。

一种钙钛矿晶体结晶釜，包括：

釜体；

加热机构，至少位于所述釜体的底部；

以及结晶生长板，设置于所述釜体内；

所述结晶生长板为本发明所提供的结晶生长板。

上述钙钛矿晶体结晶釜，由于采用本发明所提供的结晶生长板，故而可以精确控制钙钛矿晶体生长、可工业化生产钙钛矿晶体。

在其中一个实施例中，所述钙钛矿晶体结晶釜还包括用于升降所述结晶生长板的升降机构。

在其中一个实施例中，所述加热机构为电加热机构或循环油浴加热机构。

本发明还提供了一种钙钛矿晶体的结晶装置。

一种钙钛矿晶体的结晶装置，包括本发明所提供的钙钛矿晶体结晶釜。

上述钙钛矿晶体的结晶装置，由于采用本发明所提供的钙钛矿晶体结晶釜，故而可以精确控制钙钛矿晶体生长，同时还可以大规模、连续生长钙钛矿晶体。

在其中一个实施例中，所述钙钛矿晶体的结晶装置还包括溶剂冷凝回收单元，所述溶剂冷凝回收单元设置于所述钙钛矿晶体结晶釜的上方。

在其中一个实施例中，所述钙钛矿晶体的结晶装置还包括用于对补液预加热的预加热单元，所述预加热单元设置于所述钙钛矿晶体结晶釜的侧面。

附图说明

图1为本发明一实施例的钙钛矿晶体的结晶装置的结构示意图。

图2为本发明另一实施例的钙钛矿晶体的结晶装置的结构示意图。

图3为本发明一实施例的结晶生长板的截面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参见图1～2，本发明一实施例的钙钛矿晶体的结晶装置1000，包括结晶釜100、用于支撑结晶釜100的支架200、用于控制整个结晶装置100内各部分的温度的温控单元。

其中，支架200位于结晶釜100的下方，结晶釜100支撑于支架100的上方。支架200的材质优选选自不锈钢或铝合金。在本实施例中，支架200为三脚支架，支架200的高度为50～100cm。当然，可以理解的是，本发明对支架200的结构、高度、以及材质均无特殊要求，只要能将结晶釜100稳定地支撑于地面一定高度位置即可。

其中，结晶釜100为结晶装置1000的核心部件。在结晶釜100内生长钙钛矿晶体。

具体地，结晶釜100包括釜体110、加热机构120、以及结晶生长板130。

参见图3，结晶生长板130设置于釜体110内。在结晶时，结晶生长板130浸入到结晶母液中，结晶母液中的钙钛矿在结晶生长板130上析出结晶。

具体地，结晶生长板130包括本体131，本体131具有用于晶体生长的第一面131a以及与第一面131a相对的第二面131b；在本体131的第一面131a上设有高表面能结构，在本体131的第二面131b上设有低表面能结构。其中，比表面能大于0.1J/m²称为高表面能，比表面能小于0.1J/m²称为低表面能。由于在第一面(即正面)设有高表面能结构，且在第二面(即背面)设有低表面能结构，这样有利于晶体的正面的结晶机率，同时还有利于控制晶体生长。

在本实施例中，本体131呈网筛状。也就是说，本体131上开设有若干微小的筛孔。网筛状的本体131有助于在结晶完毕之后使结晶母液流出。

更进一步地，本体131的孔径为50～100目。这样可以进一步有利于结晶母液流出，且有利于骨架促使晶体成核。

当然，可以理解的是，本发明的本体131并不局限于呈网筛状，还可以是不具有孔的平板。

在本实施例中，本体131的材质为不锈钢。当然，可以理解的是，本体131的材质亦可以是铝合金、或钢化玻璃等其它适合钙钛矿晶体结晶的材质。

在本实施例中，高表面能结构为附于本体131上的亲水材料层132。当然，可以理解的是，高表面能结构并不局限于亲水材料层132，还可以是通过特殊表面结构设计以达到高表面能效果。

更优选地，亲水材料层132中的亲水材料选自聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、和聚丙烯酸中的一种或几种。

在本实施例中，低表面能结构为附于本体131上的疏水材料层133。当然，可以理解的是，低表面能结构并不局限于疏水材料层132，还可以是通过特殊表面结构设计以达到低表面效果。

更优选地，疏水材料层133中的疏水材料选自聚丙烯、聚偏氟二烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、和氟代聚硅氧烷中的一种或几种。

在本实施例中，结晶生长板130呈圆形，更具体地，其直径为20～95cm，厚度为1～2mm。当然，可以理解的是，本发明对结晶生长板130的形状并不作特殊限制，亦可以是其它形式。

继续参见图1～2，釜体110为结晶提供场所，也就是说，在结晶时，将结晶母液装入釜体110中，而结晶生长板130浸入到结晶母液中，结晶母液中的钙钛矿在结晶生长板130上析出结晶。

在本实施例中，釜体110包括釜罐111、盖设在釜罐111上的釜盖112、以及用于连接釜罐111与釜盖112的连接卡扣113。这样方便釜体110的密封以及打开，便于操作。

具体地，釜罐111的材质优选选自不锈钢、铝合金、亦或钢化玻璃。同样地，釜盖112的材质也优选选自不锈钢、铝合金、亦或钢化玻璃。连接卡扣113的材质优选选自不锈钢、铝合金、橡胶、或塑料。

在本实施例中，釜体110呈大致圆柱形。更具体地，釜体110的直径为25～100cm，高度为10～50cm。当然，可以理解的是，本发明对釜体110的形状不作特殊限制。

在本实施例中，釜罐111的内表面设有第二低表面能结构。这样可以防止晶体结晶到釜罐111上，从而更有利于控制晶体的正常生长，同时降低对釜罐111的维护以及清洗的工作量。

更具体地，第二低表面能结构包括设置在釜罐111的内表面上的疏水微细表面，以及在疏水微细表面上的疏水涂层。这样可使釜罐111具有超疏水性，进一步提高低表面能效果。

在本实施例中，在釜体110上设有液面观察窗口115，其由钢化玻璃等透明材料制成，这样可以方便地观察到液面的高度，从而有利于控制结晶。

具体地，液面观察窗口115呈长方形，其宽度为2-3cm，其长度约为结晶釜体高度的2/3。

当然，可以理解的是，当釜体110的材质为钢化玻璃时，由于直接可见液面，故无需在设液面观察窗口。还可以理解的是，本发明亦可以不设置液面观察窗口115。

在本实施例中，釜罐111的底部还设有废液排放口116，更具体地，废液排放口的直径为2cm。这样可以更加有利于废液排放以及收集，避免废料污染；同时还有利于釜体110的清洗。

在本实施例中，釜盖112上还设有溶剂排放口117，其材质优选选自不锈钢、铝合金、或钢化玻璃。这样可以有利于及时将挥发的溶剂排出到釜体110外。

其中，加热机构120用于对结晶母液进行加热，从而使釜体110内的结晶母液受热，进而控制结晶。在本实施例中，加热机构120位于釜体110的底部以及侧壁，这样可以对结晶母液进行多面加热，从而更加有利于控制结晶。当然，可以理解的是，加热机构120也可以只位于釜体110的底部下方。

在本实施例中，加热机构120为电加热机构(如图1所示)。更具体地，电加热机构包括密布在釜体110外的电阻丝，电阻丝在通电下发热从而对釜体110进行加热。

当然，可以理解的是，本发明的加热机构120并不局限于电加热机构，还可以是其它加热机构。例如参见图2，加热机构120为循环油浴加热机构。更具体地，在釜体110的侧壁以及底壁上设有油浴加热腔，通过与恒温循环油浴泵连接从而使加热油在油浴加热腔中循环。

为了进一步优化结晶釜100的性能，结晶釜100还包括用于升降结晶生长板130的升降机构150。这样方便在结晶完毕之后，将结晶生长板130取出，以方便晶体收集。

具体地，升降机构150包括分别连接在结晶生长板130两端的升降杆，通过升降杆的升降带动结晶生长板130升降。

具体地，升降杆的材质优选选自不锈钢或铝合金。其直径为2～4mm，长度基本与釜体110高度相同。

为了更进一步优化，在升降杆的外表面上也设有第二低表面能结构。这样可以防止晶体结晶到升降杆上，从而更有利于控制晶体的正常生长，同时降低对升降杆的维护以及清洗的工作量。

在本实施例中，钙钛矿晶体的结晶装置1000还包括溶剂冷凝回收单元400，溶剂冷凝回收单元400的主要作用是，收集结晶过程中挥发的溶剂，同时更有利于使溶剂及时排出釜体110。具体地，溶剂冷凝回收单元400设置于结晶釜100的上方。更具体地，溶剂冷凝回收单元400与釜体110通过溶剂排放口117连通。结晶过程中，挥发的溶剂通过溶剂排放口117进入溶剂冷凝回收单元400中，在溶剂冷凝回收单元400中被冷凝并收集在一起。

具体地，溶剂冷凝回收单元400包括冷凝管410、以及溶剂收集器420。其中，冷凝管410可选用循环水冷却管或空气冷却管，也就是说，可以选用水冷或空气冷却的方式。冷凝管410的材质可以选自不锈钢、铝合金、或玻璃。

更具体地，溶剂收集器420的直径为5～20cm，高度为5～10cm，其材质为不锈钢、铝合金、玻璃、或塑料。在溶剂收集器上还设有约1cm孔径的溶剂回收阀门，从而方便回收溶剂。

当然，可以理解的是，溶剂冷凝回收单元400的具体结构并不局限于上述结构，亦可以是其它结构。还可以是理解的是，本发明亦可以不设置溶剂冷凝回收单元400。

在本实施例中，钙钛矿晶体的结晶装置1000还包括用于对补液预加热的预加热单元500，预加热单元500与釜体110相连通，从而将进行预先加热的补液输入到釜体110内。这样可在结晶时，预先将补液加热至结晶温度，从而防止因后期补液造成温度变化导致晶体生长不可控，故而有利于晶体连续生长。

具体地，预加热单元500设置于釜体110的侧面。预加热单元500包括溶剂预加热腔510、预加热器520、连通管530和进料阀门540。

其中，溶剂预加热腔510的直径为10～50cm，高度为5～20cm，其材质可选不锈钢、铝合金和钢化玻璃种的一种。在溶剂预加热腔510的顶部中心设有直径为5cm的溶液加注口(未示出)。预加热器520为金属电阻加热器，加热温度在250℃以内。连通管530连接溶液预加热腔510与釜体110，其直径为2～3cm，其材质可选不锈钢、铝合金、或钢化玻璃。进料阀门540设置连通管530上，从而控制补液进入釜体110，其材质可选不锈钢、铝合金、钢化玻璃或塑料。

当然，可以理解的是，本发明的预加热单元500的具体结构并不局限于上述结构，亦可以是其它结构。还可以是理解的是，本发明亦可以不设置预加热单元500。

上述钙钛矿晶体的结晶装置，能够进行钙钛矿晶体大规模、连续制备，同时结晶装置使用及操作简单、安全、环保，晶体生长环境控制精确、稳定，进而使晶体生长质量优异，故而晶体在质和量上都可满足钙钛矿电池工业化生产需求，进而极大促进了钙钛矿太阳电池的规模化应用和市场化进程。另外，采用上述钙钛矿晶体的结晶装置所制备的钙钛矿晶体电池光电性能良好，质量优异。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种用于钙钛矿晶体的结晶生长板，其特征在于，包括：

高表面能结构，设于所述本体的第一面；

以及低表面能结构，设于所述本体的第二面。

2.根据权利要求1所述的结晶生长板，其特征在于，所述高表面能结构为附于所述本体上的亲水材料层。

3.根据权利要求2所述的结晶生长板，其特征在于，所述亲水材料层中的亲水材料选自聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、和聚丙烯酸中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的结晶生长板，其特征在于，所述低表面能结构为附于所述本体上的疏水材料层。

5.根据权利要求4所述的结晶生长板，其特征在于，所述疏水材料层中的疏水材料选自聚丙烯、聚偏氟二烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、和氟代聚硅氧烷中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的结晶生长板，其特征在于，所述本体呈网筛状。

7.根据权利要求6所述的结晶生长板，其特征在于，所述本体的孔径为50～100目。

8.根据权利要求1所述的结晶生长板，其特征在于，所述本体的材质为不锈钢、铝合金、或钢化玻璃。

9.一种钙钛矿晶体结晶釜，其特征在于，包括：

釜体；

加热机构，至少位于所述釜体的底部；

以及结晶生长板，设置于所述釜体内；

所述结晶生长板为权利要求1-8任一项所述的结晶生长板。

10.根据权利要求9所述的钙钛矿晶体结晶釜，其特征在于，所述钙钛矿晶体结晶釜还包括用于升降所述结晶生长板的升降机构。

11.根据权利要求9所述的钙钛矿晶体结晶釜，其特征在于，所述加热机构为电加热机构或循环油浴加热机构。

12.一种钙钛矿晶体的结晶装置，其特征在于，包括权利要求9-11任一项所述的钙钛矿晶体结晶釜。

13.根据权利要求12所述的钙钛矿晶体的结晶装置，其特征在于，所述钙钛矿晶体的结晶装置还包括溶剂冷凝回收单元，所述溶剂冷凝回收单元设置于所述钙钛矿晶体结晶釜的上方。

14.根据权利要求12所述的钙钛矿晶体的结晶装置，其特征在于，所述钙钛矿晶体的结晶装置还包括用于对补液预加热的预加热单元，所述预加热单元设置于所述钙钛矿晶体结晶釜的侧面。