CN112467042A - 一种钙钛矿太阳能电池组件智能自动化生产系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钙钛矿太阳能电池组件智能自动化生产系统，包括传输机构和依次沿传输机构的输送轨迹布置的第一真空等离子清洗机、激光刻蚀机、视觉缺陷在线检测装置、氧化镍火焰热喷涂装置、红外退火装置、第二真空等离子清洗机、钙钛矿狭缝涂布装置、红外快速退火仪、热蒸发装置、电池组件自动涂胶装置、电池组件层压封装装置、组件缺陷检测全自动测试装置。本发明的生产效率更高，良品率大幅提高；采用狭缝涂布装置能够智能自动设计钙钛矿薄膜的连续印刷，可以进一步应用于柔性器件的开发；还采用反式结构，能实现连续一次性大面积制备；背部采用传统金属银电极光反射性能好，可有效加强光吸收，达到同等电流强度所需要的钙钛矿光吸收层更薄。

Description

一种钙钛矿太阳能电池组件智能自动化生产系统
技术领域
本发明涉及一种钙钛矿太阳能电池组件智能自动化生产系统，属于电池生产线技术领域。
背景技术
钙钛矿是一类具有特定晶体结构的材料，对太阳能电池的制造而言，这种结构具有天然优势：较高的电荷载体迁移率和较好的光线扩散性能，使光电转换过程中的能量损失极低。钙钛矿结构中的有机-金属卤化物光吸收体具有良好的光吸收、光电转换特性以及优异的光生载流子输运特性，其电子与空穴扩散长度均可超过1000nm，光电转换特性优异。钙钛矿太阳能电池目前已经达到了26.7％转化率，与长期发展的多晶硅电池、铜铟镓硒电池和碲化镉电池相比，效率更高，而且仍然具有进一步提升的空间，是最具有发展潜力的第三代太阳能电池。
成熟的钙钛矿太阳能电池技术的发展可以替代现有的晶硅太阳能电池，而其特有的柔性更拓宽了电池的应用领域。以简单的钙钛矿太阳能电池发电薄膜为例，可以广泛地用于手机、电脑、野外设备中作为移动补充电源，代替目前的太阳贴膜用于汽车中作为移动发电电源，以及代替建筑用玻璃贴膜作为建筑光伏使用。
目前，钙钛矿太阳能电池仍以科学研究为主，国内的研究与产业化推进几乎与国外同步展开，并取得了显著进步。国内很多团队的研究水平达到国际先进水平，太阳能电池的效率超过20％。甚至某些研究方向居于国际领先，比如，具有更好热稳定性的全无机钙钛矿太阳能电池，国内多个团队实现光电转换效率12％以上，然而，对比国内外的发展趋势，我们可以看到有明显的不同。国外的研究团队注重于生产工艺的改进、新型原材料的开发，为了早日实现钙钛矿太阳能电池的商业化生产，学者和企业大多致力于优化生产工艺，提高产品一致性；开发新型空穴传输材料，降低成本；研究先进的硅基叠层太阳能电池技术，生产高效的串联太阳能电池；在提高转换效率的同时，延长钙钛矿电池的使用寿命；同时，国外相关企业的研究也更注重于实现钙钛矿太阳能电池的工业生产，甚至不惜小幅度地牺牲转换效率以提升电池的综合性能。相对而言，我国对于钙钛矿太阳能电池的研究主要集中于电池转换效率的提升和电池组件有效面积的扩大，而对于电池商业化生产急需解决的成本、工艺、寿命等问题关注较少，这也是我国钙钛矿太阳能电池产业较少发展较慢的主要原因。
发明内容
本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种准确性高的钙钛矿太阳能电池组件智能自动化生产系统。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种钙钛矿太阳能电池组件智能自动化生产系统，包括：
第一真空等离子清洗机，使用FTO导电玻璃作为衬底，将衬底用真空等离子体清洗机清水处理5-10分钟；
激光刻蚀机，对清洗完成的衬底进行激光刻蚀，并为每块衬底进行序列号标记，以便实时跟踪和检测每块衬底的信息；
视觉缺陷在线检测装置，检测刻蚀划线后衬底的缺陷以及刻蚀精度是否合格；
氧化镍火焰热喷涂装置，通过多功能喷嘴将Mg掺杂硝酸镍水溶液喷涂在加热的衬底上；
红外退火装置，对喷涂后的衬底采用红外热退火5分钟，使得衬底上形成氧化镍传输层；
第二真空等离子清洗机，对氧化镍传输层的表面真空等离子清洗15分钟，为钙钛矿层的沉积打好基础；
钙钛矿狭缝涂布装置，将狭缝涂布头以1-100mm/s的速度连续移动进行涂布，以及将钙钛矿前驱体涂液喷到氧化镍传输层上形成钙钛矿薄膜；
红外快速退火仪，对狭缝涂布后的衬底采用红外灯退火15分钟完成钙钛矿结晶形成钙钛矿层；
热蒸发装置，在钙钛矿层上热沉积形成PCBM电子传输层，沉积结束后更换目标靶材，再在PCBM电子传输层上热蒸发形成C60缓冲层以及银电极，得到钙钛矿太阳电池；
电池组件自动涂胶装置，将组件封装胶填充在背面基板、钙钛矿太阳电池、互联导电线路、正面玻璃板之间的空间形成电池组件，并依次涂在电池组件的四个边；
电池组件层压封装装置，将背板玻璃、封装胶膜以及电池组件进行层压封装，得到封装完成的电池组件；
组件缺陷检测全自动测试装置，将封装完成的电池组件进行内部缺陷、隐裂、碎片、虚焊、断栅以及电池功率进行自动化智能测试；
传输机构，所述第一真空等离子清洗机、激光刻蚀机、视觉缺陷在线检测装置、氧化镍火焰热喷涂装置、红外退火装置、第二真空等离子清洗机、钙钛矿狭缝涂布装置、红外快速退火仪、热蒸发装置、电池组件自动涂胶装置、电池组件层压封装装置、组件缺陷检测全自动测试装置依次沿所述传输机构的输送轨迹布置。
进一步的技术方案是，所述红外退火装置包括输送平台和安装在所述输送平台上方的快速退火炉体，所述快速退火炉体内设有红外灯。
进一步的技术方案是，所述第一真空等离子清洗机对FTO导电玻璃清洗后，保证FTO导电玻璃表面无损伤满足直径≤0.5mm的颗粒数≤700，＞0.5mm的颗粒数0。
进一步的技术方案是，所述视觉缺陷在线检测装置检测的缺陷包括划痕、裂纹、颗粒物。
进一步的技术方案是，所述氧化镍火焰热喷涂装置内的喷涂预热温度为200℃。
进一步的技术方案是，所述红外退火装置的退火温度为350℃。
进一步的技术方案是，所述红外退火仪的退火温度为180℃。
进一步的技术方案是，所述红外退火装置和快速退火炉体的外壁上均设有水冷壁。
进一步的技术方案是，所述氧化镍火焰热喷涂装置的喷嘴从内层至外层分别同时喷出粉末雾化流、火焰流和空气流三层同轴圆锥台形的流层。
进一步的技术方案是，所述电池组件层压封装装置包括封装室、加热装置、抽气系统；所述加热装置位于封装室下方，为封装室提供热能；所述抽气系统设置在所述封装室上，用于将封装室进行抽真空。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的工艺集成度高，电池组件的生产效率更高，良品率大幅提高；
2、本发明采用的狭缝涂布技术能够智能自动程序设计钙钛矿薄膜的连续印刷，可以进一步应用于柔性器件的开发；
3、本发明采用反式结构，能实现连续性一次性大面积制备，同时具有IV迟滞小的优点；背部采用传统金属银电极光反射性能好，可有效加强光吸收，达到同等电流强度所需要的钙钛矿光吸收层更薄。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本实施例中红外退火仪的结构示意图。
图中所示：10-第一真空等离子清洗机、20-激光刻蚀机、30-视觉缺陷在线检测装置、40-氧化镍火焰热喷涂装置、50-红外退火装置、60-第二真空等离子清洗机、70-钙钛矿狭缝涂布装置、80-红外快速退火仪、81-输送平台、82-快速退火炉体、83-冷风机、84-红外灯、90-热蒸发装置、100-电池组件自动涂胶装置、110-电池组件层压封装装置、120-组件缺陷检测全自动测试装置、130-传输机构。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种钙钛矿太阳能电池组件生产系统，包括：
第一真空等离子清洗机10，使用FTO导电玻璃作为衬底，将衬底用真空等离子体清洗机清水处理5-10分钟；
激光刻蚀机20，对清洗完成的衬底进行激光刻蚀，并为每块衬底进行序列号标记，以便实时跟踪和检测每块衬底的信息；
视觉缺陷在线检测装置30，检测刻蚀划线后衬底的缺陷以及刻蚀精度是否合格；
氧化镍火焰热喷涂装置40，通过多功能喷嘴将Mg掺杂硝酸镍水溶液喷涂在加热的衬底上，其中喷嘴从内层至外层分别同时喷出粉末雾化流、火焰流和空气流三层同轴圆锥台形的流层；
红外退火装置50，对喷涂后的衬底采用红外热退火5分钟，使得衬底上形成氧化镍传输层；
第二真空等离子清洗机60，对氧化镍传输层的表面真空等离子清洗15分钟，为钙钛矿层的沉积打好基础；
钙钛矿狭缝涂布装置70，将狭缝涂布头以1-100mm/s的速度连续移动进行涂布，以及将钙钛矿前驱体涂液喷到氧化镍传输层上形成钙钛矿薄膜；
红外快速退火仪80，对狭缝涂布后的衬底采用红外灯退火15分钟完成钙钛矿结晶形成钙钛矿层；
热蒸发装置90，在钙钛矿层上热沉积形成PCBM电子传输层，沉积结束后更换目标靶材，再在PCBM电子传输层上热蒸发形成C60缓冲层以及银电极，得到钙钛矿太阳电池；
电池组件自动涂胶装置100，将组件封装胶填充在背面基板、钙钛矿太阳电池、互联导电线路、正面玻璃板之间的空间形成电池组件，并依次涂在电池组件的四个边；其中组件封装胶采用乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚四氟乙烯(PVF)或乙烯辛烯共聚物(POE)中的一种；
电池组件层压封装装置110，将背板玻璃、封装胶膜以及电池组件进行层压封装，得到封装完成的电池组件；
组件缺陷检测全自动测试装置120，将封装完成的电池组件进行内部缺陷、隐裂、碎片、虚焊、断栅以及电池功率进行自动化智能测试；
传输机构130，所述第一真空等离子清洗机10、激光刻蚀机20、视觉缺陷在线检测装置30、氧化镍火焰热喷涂装置40、红外退火装置50、第二真空等离子清洗机60、钙钛矿狭缝涂布装置70、红外快速退火仪80、热蒸发装置90、电池组件自动涂胶装置100、电池组件层压封装装置110、组件缺陷检测全自动测试装置依120次沿所述传输机构130的输送轨迹布置。
本发明采用国际领先的大面积狭缝镀膜、热蒸镀镀膜，电极金属化等技术，实现大面积钙钛矿电池模组，大幅提高了电池模组的输出效率，工艺简单，成本低，良品率高。
本实施例中的激光刻蚀机200与常规的单晶硅或PERC电池激光刻蚀不同的是，激光刻蚀机200要求在刻蚀FTO过程中保证激光刻蚀线宽、激光刻蚀线间距精确度，并且不伤及基材玻璃；刻蚀ITO或钙钛矿层要求保证激光刻蚀线宽、激光刻蚀线间距精确度，并不伤及PI层的FTO。
本实施例中的钙钛矿狭缝涂布装置70的狭缝涂布对于薄膜的结晶过程更容易操控，且更适合钙钛矿薄膜的大面积化。
并且在涂布过程中，成膜厚度随着速度的增加而变厚，由于涂布速度较快，溶液首先形成液态薄膜，随后再挥发溶剂。不锈钢槽模头可与最广泛的材料兼容，通过改变间隙高度，可以改善弯液面的稳定性。狭缝模头系统配有内置注射泵，可以精确控制进入狭缝模头系统的溶液量，从而可以对沉积膜的厚度进行精确且可重复的控制。内置注射泵由相同的内部软件控制，因此不需要任何外部控制。平台上的内置加热板可将基材的温度控制在最高150°，控制基板温度可以改善溶液的润湿性，同时可以改变干燥速率-允许改变沉积膜的纳米结构。该狭缝徒步平台可实现从低至1mm/s到高至100mm/s的速度平稳，连续的移动进行涂布。
在本实施例中，红外退火装置50的退火炉体采用水冷壁的结构，结合红外加热的高能量密度，近红外的波长和快速的升温特点，并通过高精度，快速响应的温控器进行精确温度控制，提供无污染，低功耗，高效率的清洁加热，升温速率可达100℃/s。
同时如图2所示，红外快速退火仪80包括输送平台81和安装在所述输送平台81上方的快速退火炉体82、两个冷风机83，所述快速退火炉体82内设有红外灯84，两个冷风机83分别位于快速退火炉体82的两侧，所述快速退火炉体82也采用水冷壁的结构，结合红外灯84加热的高能量密度，近红外的波长和快速的升温特点，并通过高精度，快速响应的温控器进行精确温度控制，提供无污染，低功耗，高效率的清洁加热，升温速率可达100℃/s。
电池组件层压封装装置110包括封装室、加热装置、抽气系统；所述加热装置位于封装室下方，为封装室提供热能；所述抽气系统设置在所述封装室上，用于将封装室进行抽真空，所述加热装置为红外灯。
该电池组件层压封装装置110的具体工作流程是在封装时，电池组件置于封装室中间，组件原材料自下至上的次序为PVF、EVA、电池片、EVA、玻璃片；然后通过抽气系统将封装室抽至真空，加热，升温至EVA液化，然后在保持封装室真空下，上、下两室同时放气至常压，使组件受到层压，再升温使EVA固化，一定时间后，降温至室温。
其中封装室下边安装红外灯作为热源，机械真空泵1台，封装室管道通路与机械泵连接，即得太阳能电池组件层压封装机。
用该电池组件层压封装装置110封装的太阳能电池组件，粘结牢度大，透明度高，无气泡现象，玻璃和电池片不易破碎，成品率高，能封装的太阳能电池组件最大尺寸为20cm×40cm。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种钙钛矿太阳能电池组件智能自动化生产系统，其特征在于，包括：
第一真空等离子清洗机，使用FTO导电玻璃作为衬底，将衬底用真空等离子体清洗机清水处理5-10分钟；
激光刻蚀机，对清洗完成的衬底进行激光刻蚀，并为每块衬底进行序列号标记，以便实时跟踪和检测每块衬底的信息；
视觉缺陷在线检测装置，检测刻蚀划线后衬底的缺陷以及刻蚀精度是否合格；
氧化镍火焰热喷涂装置，通过多功能喷嘴将Mg掺杂硝酸镍水溶液喷涂在加热的衬底上；
红外退火装置，对喷涂后的衬底采用红外热退火5分钟，使得衬底上形成氧化镍传输层；
第二真空等离子清洗机，对氧化镍传输层的表面真空等离子清洗15分钟，为钙钛矿层的沉积打好基础；
钙钛矿狭缝涂布装置，将狭缝涂布头以1-100mm/s的速度连续移动进行涂布，以及将钙钛矿前驱体涂液喷到氧化镍传输层上形成钙钛矿薄膜；
红外快速退火仪，对狭缝涂布后的衬底采用红外灯退火15分钟完成钙钛矿结晶形成钙钛矿层；
热蒸发装置，在钙钛矿层上热沉积形成PCBM电子传输层，沉积结束后更换目标靶材，再在PCBM电子传输层上热蒸发形成C60缓冲层以及银电极，得到钙钛矿太阳电池；
电池组件自动涂胶装置，将组件封装胶填充在背面基板、钙钛矿太阳电池、互联导电线路、正面玻璃板之间的空间形成电池组件，并依次涂在电池组件的四个边；
电池组件层压封装装置，将背板玻璃、封装胶膜以及电池组件进行层压封装，得到封装完成的电池组件；
组件缺陷检测全自动测试装置，将封装完成的电池组件进行内部缺陷、隐裂、碎片、虚焊、断栅以及电池功率进行自动化智能测试；
传输机构，所述第一真空等离子清洗机、激光刻蚀机、视觉缺陷在线检测装置、氧化镍火焰热喷涂装置、红外退火装置、第二真空等离子清洗机、钙钛矿狭缝涂布装置、红外快速退火仪、热蒸发装置、电池组件自动涂胶装置、电池组件层压封装装置、组件缺陷检测全自动测试装置依次沿所述传输机构的输送轨迹布置。
2.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池组件生产系统，其特征在于，所述红外退火装置包括输送平台和安装在所述输送平台上方的快速退火炉体，所述快速退火炉体内设有红外灯。
3.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池组件生产系统，其特征在于，所述第一真空等离子清洗机对FTO导电玻璃清洗后，保证FTO导电玻璃表面无损伤满足直径≤0.5mm的颗粒数≤700，＞0.5mm的颗粒数0。
4.根据权利要求3所述的一种钙钛矿太阳能电池组件生产系统，其特征在于，所述视觉缺陷在线检测装置检测的缺陷包括划痕、裂纹、颗粒物。
5.根据权利要求3所述的一种钙钛矿太阳能电池组件生产系统，其特征在于，所述氧化镍火焰热喷涂装置内的喷涂预热温度为200℃。
6.根据权利要求1所述的一种钙钛矿太阳能电池组件生产系统，其特征在于，所述红外退火装置的退火温度为350℃。
7.根据权利要求2所述的一种钙钛矿太阳能电池组件生产系统，其特征在于，所述红外退火仪的退火温度为180℃。
8.根据权利要求2所述的一种钙钛矿太阳能电池组件生产系统，其特征在于，所述红外退火装置和快速退火炉体的外壁上均设有水冷壁。
9.根据权利要求8所述的一种钙钛矿太阳能电池组件生产系统，其特征在于，所述氧化镍火焰热喷涂装置的喷嘴从内层至外层分别同时喷出粉末雾化流、火焰流和空气流三层同轴圆锥台形的流层。
10.根据权利要求9所述的一种钙钛矿太阳能电池组件生产系统，其特征在于，所述电池组件层压封装装置包括封装室、加热装置、抽气系统；所述加热装置位于封装室下方，为封装室提供热能；所述抽气系统设置在所述封装室上，用于将封装室进行抽真空。
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