CN109706433B - 一种超声喷雾沉积薄膜装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声喷雾沉积薄膜装置和方法，装置包括支架上设置的第一导轨支架；第一导轨支架上设置第一步进电机及Y轴方向设置的第一导轨，第一步进电机可驱动第一滑块在第一导轨上进行Y轴方向位移；第一滑块上固定有第二导轨支架，第二导轨支架上设有第二步进电机和X轴方向设置的第二导轨，第二步进电机可驱动第二滑块进行X轴方向位移；第二滑块上设有伸缩杆；伸缩杆上设有储液瓶，储液瓶的瓶口设置超声波雾化片；各单元通过线路与设置于支架上的控制器连接。方法为通过在玻璃衬底上覆盖相应的钛金属掩膜板，再将前驱液雾化至已加热的玻璃衬底上得到纳米薄膜。本发明提供的装置成本低廉，适应不同薄膜前驱体，沉积薄膜形貌可控。

Description

一种超声喷雾沉积薄膜装置和方法

技术领域

本发明属于化学气相沉积技术领域，具体涉及一种超声喷雾沉积薄膜装置和方法。

背景技术

薄膜材料在太阳能利用、半导体加工、微纳制造等方面有非常重要的作用。太阳能电池作为可再生能源的一种，具有非常广阔诱人的应用前景。薄膜材料在太阳能电池中充当着各种角色，如阻挡层、电子传输层、光吸附层、空穴传输层等。薄膜材料的形貌尺寸、晶体结构与缺陷、界面调节与控制成为影响太阳能电池性能的关键因素。在太阳能电池制备过程中，如何制备高性能的薄膜，对提高器件的光电转能效率和提升电池的性能显得尤为重要。

目前，在太阳能电池的薄膜层的制备过程中常采用的方法常有的物理方法有磁控溅射技术、真空蒸发沉积技术、旋涂法，化学方法通常有热生长技术和化学气相沉积技术。但由于太阳能电池中各层薄膜材料所使用材料的不同，薄膜对温度、厚度等要求的不同，通常会采用不同的成膜方式来制备太阳能电池的各个薄膜材料。

喷雾沉积法是化学气相沉积中比较常用的一种方法。目前，喷雾热分解主要是利用高压气体通过喷嘴将前驱物溶液雾化并形成喷雾，随后在高温或中低温的基底上发生化学反应（包括热分解和合成）形成功能性薄膜的过程。在喷雾的过程中，喷雾量的大小、雾化颗粒均一性、喷雾的形状很难进行精确地调节，因而会对薄膜的性能产生影响。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术问题而提供一种超声喷雾沉积薄膜的装置和方法，通过对喷雾量大小、雾化颗粒均一性、喷雾形状的控制，从而获得高性能的薄膜材料。

本发明采用以下技术方案：

一种超声喷雾沉积薄膜装置，包括支架，支架上设有第一导轨支架；所述第一导轨支架上设置有第一步进电机及Y轴方向设置的第一导轨，第一导轨上设置有第一滑块，第一步进电机驱动第一滑块在第一导轨上进行Y轴方向位移；所述第一滑块上固定有第二导轨支架，第二导轨支架上设置有第二步进电机和X轴方向设置的第二导轨，第二导轨上设置有第二滑块，第二步进电机驱动第二滑块进行X轴方向位移；所述第二滑块上设置有伸缩杆；所述伸缩杆上设置有储液瓶，储液瓶的瓶口设置有超声波雾化片；第一步进电机、第二步进电机和超声波雾化片均通过线路与设置于支架上的控制器连接。

进一步地，所述超声波雾化片设置于储液瓶的瓶口，通过瓶盖旋于瓶口上将超声波雾化片固定，瓶盖上开有雾化出口。

进一步地，瓶盖和超声波雾化片之间设置垫圈。

进一步地，所述超声波雾化片包括压电陶瓷振子和与振动板，振动板上设置有微孔。

进一步地，所述储液瓶竖直向下设置，超声波雾化片竖直朝下，超声波雾化片下方设置有加热台。

以上所述的超声喷雾沉积薄膜装置进行超声喷雾沉积薄膜的方法，包括以下步骤：

步骤1，依次用清洁剂、去离子水、乙醇、丙酮清洗玻璃衬底，并分别超声清洗；

步骤2，配置纳米材料前驱液，并装入储液瓶中；

步骤3，将玻璃衬底放在加热热台上，在玻璃衬底上覆盖相应的钛金属掩膜板，加热玻璃衬底至一定温度；

步骤4，将储液瓶上的超声波雾化片连入电路，通过控制器控制使超声波雾化片将纳米材料前驱液雾化，同时控制第一步进电机和第二步进电机按照程序设定轨迹将纳米材料前驱液雾化至已加热的玻璃衬底上，得到纳米薄膜。

进一步地，步骤2中所述纳米材料前驱液可以为二氧化钛前驱液、氧化锌前驱液、氧化镍前驱液、掺铝氧化锌前驱液、钙钛矿前驱液、聚乙烯二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)前驱液或[6,6]-苯基-C61-丁酸异甲酯前驱液中的任意一种。

进一步地，步骤2中所述纳米材料前驱液中采用的溶剂可以为乙醇、水、氯苯、丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、乙腈、乙酸、二甲基乙醇胺、丙烯碳酸酯、甲酰胺、四氢呋喃、丙酮、甲乙酮或乙酸乙酯中的至少一种或几种的混合。

以上所述的超声喷雾沉积薄膜装置在光电器件以及镀膜工艺中的应用。

本发明在进行超声喷雾沉积薄膜的过程中，通过改变控制电路的输入电压则可以获得不同喷雾量的前驱液喷雾；通过改变超声波雾化片的多孔之间的分布，当采用孔径均匀分布的超声波雾化片时可获得形貌均一的纳米薄膜；当多孔呈矩形或线性排列时，喷雾形状近似为矩形或线性分布，当多孔排列形状呈圆形时，则喷雾形状则转变为圆形；通过改变钛金属掩膜板形状以及设计不同的移动路径与移动速率，可以获得不同形状、不同厚度的纳米薄膜。

本发明超声波雾化片的频率可以为108-160kHz，微孔大小为可以5-10μm，孔数可以为500-740，喷雾量可以为1-3 mL/min，并且具有不同功率调整的功能；步进电机控制的雾化喷头移动速率可以为80-8000mm/min，加速度可以为50-500mm/s²。

本发明主要利用超声波雾化片，超声波雾化片直接固定在储液瓶瓶口与前驱液接触，可以通过插线与控制电路相连。超声波雾化片可由压电陶瓷振子与不锈钢振动板组成，振动板上有微孔。输入电压使压电陶瓷以一定频率振动，振动板在压电陶瓷激励下做挠曲振动，在储液瓶内液体表面产生声压，从而由于伯努利原理，前驱液在液体压力与瓶内空气压力下穿过小孔形成喷雾。

针对不同的前驱液，可通过更换储液瓶和超声喷雾片来实现对不同前驱液的喷雾沉积过程，从而获得不同形貌的纳米薄膜。如利用软件进行G代码编程调控二维步进电机，实现X和Y轴方向上的控制，可以根据具体的设计样品，更改G代码设置从而控制超声喷雾喷头的运动轨迹和运动速率，从而获得厚度可控的纳米薄膜。

本发明通过利用简易的设备和制备，通过控制喷雾量的大小、喷雾的形状、喷雾的均一性、喷雾头的运动轨迹和运动速度来实现薄膜更精确的控制，实现了大范围纳米材料薄膜的制备，所制得的薄膜，形貌均一，缺陷较少，成本低廉，满足各类光电器件的要求。本发明改善了现有方法的不足，并且由于其可控性能够实现大面积工业化应用。

附图说明

图1为实施例1中超声喷雾沉积薄膜装置的结构示意图；

图2为实施例2中储液瓶的结构示意图 ；

图3为实施例2中超声喷雾沉积薄膜装置的结构示意图 ；

以上图1-3中，1为支架，21为第一导轨支架，22为第一步进电机，23为第一导轨，24为第一滑块，31为第二导轨支架，32为第二步进电机，33为第二导轨，34为第二滑块，4为伸缩杆，5为储液瓶，51为瓶盖，52为超声波雾化片，53为垫圈，6为控制器，7为加热热台。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种超声喷雾沉积薄膜装置，其结构示意图如图1所示，包括支架1，支架上设置有第一导轨支架21；所述第一导轨支架21上设置有第一步进电机22及Y轴方向设置的第一导轨23，第一导轨上设置有第一滑块24，第一步进电机22驱动第一滑块24在第一导轨23上进行Y轴方向位移；所述第一滑块24上固定有第二导轨支架31，第二导轨支架31上设置有第二步进电机32和X轴方向设置的第二导轨33，第二导轨33上设置有第二滑块34，第二步进电机32驱动第二滑块34进行X轴方向位移；所述第二滑块34上设置有伸缩杆4；所述伸缩杆上设置有储液瓶5，储液瓶5的瓶口设置有超声波雾化片52；第一步进电机22、第二步进电机32和超声波雾化片52均通过线路与设置于支架上的控制器6连接。

本实施例提供的超声喷雾沉积薄膜装置，通过第一步进电机22和第二步进电机32的相互配合，能够使得储液瓶5在X轴和Y轴方向上进行位移，从而实现超声喷雾的X轴和Y轴方向位移，实现程序化控制。

实施例2

本实施例为在实施例1基础上的进一步改进，如图2和图3所示，其中超声波雾化片52设置于储液瓶5的瓶口，通过瓶盖51旋于瓶口上将超声波雾化片52固定，瓶盖上开有雾化出口；瓶盖51和雾化片52之间设置垫圈53，能够进一步实现超声波雾化片52与瓶口的密封固定。其中超声波雾化片52包括压电陶瓷振子和与振动板，振动板上设置有微孔，储液瓶5竖直向下设置，超声波雾化片52竖直朝下，超声波雾化片52下方设置有加热热台7。

采用本实施例提供的装置进行超声喷雾沉积薄膜的方法包括以下步骤：

步骤1，依次用清洁剂、去离子水、乙醇、丙酮清洗玻璃衬底，并分别超声清洗；

步骤2，配置纳米材料前驱液，并装入储液瓶中；

步骤3，将玻璃衬底放在加热热台上，在玻璃衬底上覆盖相应的钛金属掩膜板，加热玻璃衬底至一定温度；

步骤4，将储液瓶上的超声波雾化片连入电路，通过控制器控制使超声波雾化片将纳米材料前驱液雾化，同时控制第一步进电机和第二步进电机按照程序设定轨迹将纳米材料前驱液雾化至已加热的玻璃衬底上，得到纳米薄膜。

其中纳米材料前驱液可以为二氧化钛前驱液、氧化锌前驱液、氧化镍前驱液、掺杂铝氧化锌前驱液、钙钛矿前驱液、聚乙烯二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)前驱液或[6,6]-苯基-C61-丁酸异甲酯前驱液中的任意一种；纳米材料前驱液中采用的溶剂为乙醇、水、氯苯、丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、乙腈、乙酸、二甲基乙醇胺、丙烯碳酸酯、甲酰胺、四氢呋喃、丙酮、甲乙酮或乙酸乙酯中的至少一种或几种的混合。

以下就具体制备过程通过实施例进行说明。

实施例3

利用以上实施例提供的超声喷雾沉积薄膜装置进行超声喷雾沉积薄膜的方法，包括以下步骤：

步骤1，使用FTO玻璃作为衬底，依次利用清洁剂、去离子水、乙醇、丙酮清洗FTO玻璃衬底，并分别超声清洗10分钟；

步骤2，配置二氧化钛前驱液，利用乙醇与双(2,4-戊二酮酸)双(2-丙醇酸)钛(75%的异丙醇溶液)配制0.2 mol/L的前驱液，注入15 mL前驱液于储液瓶中；

步骤3，将玻璃衬底放在加热热台上，在玻璃衬底上覆盖相应的钛金属掩膜板，加热玻璃衬底至450℃；

步骤4，利用超声波雾化片将前驱液雾化，其喷雾量为3 mL/min，喷头距衬底高度为9 cm，喷头移动速率为8000 mm/min，加速度为500 mm/s²，超声波雾化片的频率为115kHz，微孔大小为5μm，二氧化钛致密层尺寸为10 mm×100 mm，通过电脑控制沉积次数为1次。

维持500℃加热30分钟自然冷却至室温。

实施例4

利用以上实施例提供的超声喷雾沉积薄膜装置进行超声喷雾沉积薄膜的方法，包括以下步骤：

步骤1，使用FTO玻璃作为衬底，依次利用清洁剂、去离子水、乙醇、丙酮清洗FTO玻璃衬底，并分别超声8-10分钟；

步骤2，配置氧化镍前驱液，取0.2569 g乙酸丙酮镍溶于50 mL乙腈乙醇（体积比为95：5）的混合溶液中制得0.02 mol/L的前驱液，注入5 mL前驱液于储液瓶中；

步骤3，加热玻璃衬底至500℃；

步骤4，利用超声波雾化片将前驱液雾化，其喷雾量为3 mL/min，喷头距衬底高度为9 cm，喷头移动速率为2000 mm/min，加速度为500 mm/s²，超声波雾化片的频率为115kHz，微孔大小为5μm，氧化镍致密层尺寸为10 mm×100 mm，通过电脑控制沉积次数为1次。

维持500℃加热30分钟自然冷却至室温。

Claims (5)

1.一种超声喷雾沉积薄膜装置，其特征在于，包括支架（1），支架（1）上设有第一导轨支架（21）；所述第一导轨支架（21）上设置有第一步进电机（22）及Y轴方向设置的第一导轨（23），第一导轨上设置有第一滑块（24），第一步进电机（22）驱动第一滑块（24）在第一导轨（23）上进行Y轴方向位移；所述第一滑块（24）上固定有第二导轨支架（31），第二导轨支架（31）上设置有第二步进电机（32）和X轴方向设置的第二导轨（33），第二导轨（33）上设置有第二滑块（34），第二步进电机（32）驱动第二滑块（34）进行X轴方向位移；所述第二滑块（34）上设置有伸缩杆（4）；所述伸缩杆上设置有储液瓶（5），储液瓶（5）的瓶口设置有超声波雾化片（52）；第一步进电机（22）、第二步进电机（32）和超声波雾化片（52）均通过线路与设置于支架（1）上的控制器（6）连接；所述超声波雾化片（52）设置于储液瓶（5）的瓶口，通过瓶盖（51）旋于瓶口上将超声波雾化片（52）固定，瓶盖上开有雾化出口；所述储液瓶（5）竖直向下设置，超声波雾化片（52）竖直朝下，超声波雾化片（52）下方设置有加热热台（7），瓶盖（51）和超声波雾化片（52）之间设置垫圈（53）。

2.权利要求1所述的超声喷雾沉积薄膜装置进行超声喷雾沉积薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，依次用清洁剂、去离子水、乙醇、丙酮清洗玻璃衬底，并分别超声清洗；步骤2，配置纳米材料前驱液，并装入储液瓶中；步骤3，将玻璃衬底放在加热热台上，在玻璃衬底上覆盖相应的钛金属掩膜板，加热玻璃衬底至一定温度；步骤4，将储液瓶上的超声波雾化片连入电路，通过控制器控制使超声波雾化片将纳米材料前驱液雾化，同时控制第一步进电机和第二步进电机按照程序设定轨迹将纳米材料前驱液雾化至已加热的玻璃衬底上，得到纳米薄膜。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中所述纳米材料前驱液为二氧化钛前驱液、氧化锌前驱液、氧化镍前驱液、掺铝氧化锌前驱液、钙钛矿前驱液、聚乙烯二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)前驱液或[6,6]-苯基-C61-丁酸异甲酯前驱液中的任意一种。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中所述纳米材料前驱液中采用的溶剂为乙醇、水、氯苯、丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、乙腈、乙酸、二甲基乙醇胺、丙烯碳酸酯、甲酰胺、四氢呋喃、丙酮、甲乙酮或乙酸乙酯中的至少一种或几种的混合。

5.权利要求1所述的超声喷雾沉积薄膜装置在光电器件以及镀膜工艺中的应用。

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