CN112490371B - 一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化方法及设备，属于材料科学和薄膜制备技术领域。在小于0.3MPa的环境压力下，利用钙钛矿溶液在0～100℃的温度下的饱和蒸气对太阳电池基体绒面进行熏蒸，在太阳电池基体绒面表面形成仿形预润湿层，在仿形预润湿层表面涂布一层钙钛矿液膜；利用含有反溶剂成分的饱和蒸气对钙钛矿液膜进行熏蒸，将熏蒸后的钙钛矿液膜进行干燥处理，在太阳电池基体绒面表面形成钙钛矿薄膜。本发明利用密闭腔室下的气氛和压力实现对于太阳电池基绒面熏蒸预涂处理，在涂膜工艺结束后，可进一步利用腔室低压反溶剂熏蒸进行大面积、均匀干燥。该方法适用于大面积、快速涂膜的工业化应用。
Description
技术领域
本发明属于材料科学技术和薄膜制备技术领域，具体涉及一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化方法及设备。
背景技术
随着社会不断地向前发展，环境污染与能源短缺成为人类直接面临的重要问题。太阳能作为一种可再生能源，具有清洁无污染的优点，有望成为传统化石能源的下一代替代能源之一，具有广阔的发展和应用前景。钙钛矿太阳电池具有制备工艺和设备简单、可利用卷对卷slot-die工艺规模化生产、带隙可调节等优点，使得其成为近十年内国内外学术界和产业界的热点。钙钛矿太阳电池效率更是突飞猛进，在不到十年的时间里最高纪录从3.8％攀升至近些年的25.2％。更高的电池效率，更高的电池稳定性是科研和生产人员一直追求的目标。
薄膜的致密性、平整性、均匀性等形貌特征是钙钛矿电池的效率和稳定性的基础，更是生产制造钙钛矿太阳电池的核心技术。迄今为止，高质量钙钛矿薄膜的涂布方法主要有旋涂法、狭缝涂布法、喷雾法等；制备方法主要有一步法、两步法、反溶剂法、气相沉积法，其中反溶剂法是一种简单有效获得高质量钙钛矿薄膜的方法。然而，规模化使用涂布方法以及反溶剂法制备大面积尺寸钙钛矿薄膜，就对薄膜形貌控制和薄膜质量重复性提出了极高的要求。现有的反溶剂方法并不能很好地应用于干燥大面积液膜，制备均匀的钙钛矿薄膜。因此，如何解决大面积、工业化生产过程中所面临的预涂与干燥问题具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化方法及设备，基于反溶剂干燥法，可以制备工业化生产的大面积钙钛矿薄膜。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开的一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化方法，包括以下步骤：
1)将太阳电池基体绒面置于密闭腔室内，在小于0.3MPa的环境压力下，利用钙钛矿溶液的饱和蒸气对太阳电池基体绒面进行熏蒸，在太阳电池基体绒面表面形成仿形预润湿层，熏蒸时钙钛矿溶液饱和蒸气的温度为0℃～100℃；
2)在仿形预润湿层表面涂布厚度不超过10μm的钙钛矿液膜；
3)利用含有反溶剂成分的饱和蒸气对钙钛矿液膜进行熏蒸，；
4)将熏蒸后的钙钛矿液膜进行干燥，在太阳电池基体绒面表面形成钙钛矿薄膜。
优选地，步骤1)中，仿形预润湿层的厚度小于100nm。
优选地，步骤1)中，钙钛矿溶液的溶剂为DMF、DMSO、NMP和γ-丁内脂中的一种或几种；
钙钛矿溶液的溶质为ABX3，其中A为烷基胺、碱金属或二者的组合，B为铅、锡或二者的组合，X为Br、Cl和I中的一种或几种。
优选地，步骤1)中，熏蒸时含有反溶剂成分饱和蒸汽的温度为0℃～100℃,熏蒸时间小于15s；步骤3)中，熏蒸时间小于30s。
优选地，步骤4)中，在小于0.1MPa的环境压力下对熏蒸后的钙钛矿液膜干燥。
本发明还公开了一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化设备，包括密封腔室、蒸气发生装置和压力调节仓，密封腔室内由上至下依次设有蒸气喷头单元、涂布装置、太阳电池基体和基板，蒸气喷头单元与蒸气发生装置通过管路相连，压力调节仓与密封腔室通过管路相连；
压力调节仓用于调节密封腔室的压力，蒸气发生装置用于向密封腔室提供饱和蒸气，饱和蒸汽通过蒸气喷头单元喷至太阳电池基体表面。
优选地，基板内设有第二温度调控装置。
优选地，蒸气发生装置包括气氛物质源、第一温度调控装置和压力调控装置，第一温度调控装置和压力调控装置均与气氛物质源通信连接。
优选地，蒸气喷头单元由若干个蒸气喷头组成，蒸气喷头能够单独或整体旋转。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本申请公开了一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化方法，在小于0.3MPa的环境压力下，利用钙钛矿溶液在0～100℃的温度下的饱和蒸气对太阳电池基体绒面进行熏蒸，在太阳电池基体绒面表面形成仿形预润湿层，在仿形预润湿层表面涂布一层钙钛矿液膜；利用含有反溶剂成分的饱和蒸气对钙钛矿液膜进行熏蒸，蒸熏的目的是为了均匀干燥钙钛矿液膜，将熏蒸后的钙钛矿液膜进行干燥处理，在太阳电池基体绒面表面形成钙钛矿薄膜。本发明利用密闭腔室下的气氛和压力实现对于太阳电池基绒面熏蒸预涂处理，在涂膜工艺结束后，可进一步利用腔室低压反溶剂熏蒸进行大面积、均匀干燥。0～100℃的温度下饱和蒸气下，太阳电池基体绒面与钙钛矿溶液维持稳定的液相和化学结构，而不会转变为固相、气相，或分解为其他结构，熏蒸时钙钛矿液相润湿太阳电池基体绒面，实现太阳电池基体绒面起伏的仿形层制备。该方法适用于大面积、快速涂膜的工业化应用。
本发明公开了一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化设备，基于上述一体化方法，蒸气发生装置产生的蒸气通过蒸气喷头单元喷至太阳电池基体表面，通过调节饱和蒸气的温度以及密闭腔体内的压力实现了太阳电池基体绒面的熏蒸预涂，该设备集熏蒸预涂与干燥一体化，适用于大面积、快速涂膜的工业化应用。通过蒸气喷头单元可以实现大面积电池基体上反溶剂的均匀熏蒸，通过压力调节仓，实现基于反溶剂干燥与压差干燥的双效快速干燥，制备均匀、平整、无针孔的钙钛矿薄膜。
附图说明
图1为太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化设备示意图。
其中：1-密封腔室；2-蒸气发生装置；21-气氛物质源；22-第一温度调控装置；23-压力调控装置；3-压力调节仓；4-蒸气喷头单元；5-太阳电池基体；6-基板；61-第二温度调控装置。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化方法，包含以下步骤：
1)利用0℃～100℃含有钙钛矿ABX3溶液溶剂成分的饱和蒸气，在小于0.3MPa的环境压力下熏蒸太阳电池绒面小于15s，制备厚度小于100nm的仿形预润湿层，实现太阳电池绒面起伏的预涂；
2)在5s内，利用涂布装置在仿形预涂层上制备厚度不超过10μm的ABX3液膜；
3)利用0℃～100℃含有反溶剂成分的饱和蒸气，熏蒸液膜小于30s；
4)在小于0.1MPa的环境压力下，使溶剂成分快速挥发，实现液膜的均匀、快速干燥。
参见图1，本发明的一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化设备，包括密封腔室1和蒸气发生装置2，密封腔室1内设有蒸气喷头单元4、太阳电池基体5、基板6和涂布装置7，蒸气喷头单元4与蒸气发生装置2管路连接，蒸气发生装置2用于产生饱和蒸气，蒸气喷头单元4用于将饱和蒸汽喷至太阳电池基体5表面。
一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化设备，还包括压力调节仓3，压力调节仓3与密封腔室1管路连接，压力调节仓3用于调节密封腔室1的压力。
进一步地，基板6内设有第二温度调控装置61，通过第二温度调控装置61可以调节基板在涂膜过程中的温度，控制溶剂涂布温度与干燥等过程。
进一步地，蒸气发生装置2包括气氛物质源21、第一温度调控装置22和压力调控装置23，第一温度调控装置22和压力调控装置23均与气氛物质源21通信连接。压力调控装置23能够控制熏蒸气源的压力。
进一步地，蒸气喷头4由若干个蒸气喷头单元组成，蒸气喷头单元单独或整体旋转。
实施例1
1)以DMF为溶剂，配制质量百分浓度为50％的CH3NH3PbI3溶液，利用30℃的CH3NH3PbI3溶液饱和蒸气，对起伏为250nm的FTO导电玻璃基体，在0.1MPa的压力下熏蒸5s，制备厚度为30nm的仿形预润湿层；
2)通过狭缝涂布方法在FTO导电玻璃基体制备一层厚度约1000nm的液膜；
3)利用20℃含有氯苯反溶剂成分的饱和蒸气，在3000Pa的环境压力下熏蒸液膜5s。
实施例2
1)以DMSO为溶剂，配制质量百分浓度为40％的CH(NH2)2PbI3溶液，利用40℃的CH(NH2)2PbI3溶液饱和蒸气，对起伏为200nm的ITO导电玻璃基体，在0.15MPa的压力下熏蒸10s，制备厚度为60nm的仿形预润湿层；
2)通过喷雾沉积方法在ITO导电玻璃基体上制备一层厚度约2000nm的液膜；
3)利用30℃含有乙醚反溶剂成分的饱和蒸气，熏蒸液膜10s；
4)在20000Pa的环境压力下，使液膜中的溶剂成分快速挥发。
实施例3
1)以NMP为溶剂，配制质量百分浓度为5％的CsPbBr3溶液，利用20℃的CsPbBr3溶液饱和蒸气，对起伏为500nm的钙钛矿薄膜，在0.2MPa的压力下熏蒸15s，制备厚度为80nm的仿形预润湿层；
2)通过刮涂法在钙钛矿薄膜上制备一层厚度约3000nm的液膜；
3)利用40℃含有异丙醇反溶剂成分的饱和蒸气，熏蒸液膜15s；
4)在10000Pa的环境压力下，使液膜中的溶剂成分快速挥发。
实施例4
1)以γ-丁内酯为溶剂，配制质量百分浓度为20％的CsSnI3溶液，利用30℃的CsSnI3溶液饱和蒸气，对基体起伏为100nm的柔性导电基体ITO，在0.25MPa的压力下熏蒸12s，制备厚度为50nm的仿形预润湿层；
2)通过喷墨打印方法在柔性导电基体ITO上制备一层厚度约4000nm的液膜；
3)利用50℃含有乙酸乙酯反溶剂成分的饱和蒸气，熏蒸液膜20s；
4)在7500Pa的环境压力下，使液膜中的溶剂成分快速挥发。
实施例5
1)以DMF和DMSO的混合溶剂为溶剂，配制质量百分浓度为10％的FA0.8MA0.15Cs0.05PbI3溶液，利用40℃的FA0.8MA0.15Cs0.05PbI3溶液饱和蒸气，对基体起伏为2000nm的玻璃导电基体FTO，在0.3MPa的压力下熏蒸8s，制备厚度为100nm的仿形预润湿层；
2)通过狭缝涂布方法在玻璃导电基体FTO上制备一层厚度约5000nm的液膜；
3)利用60℃含有甲苯反溶剂成分的饱和蒸气，熏蒸液膜30s；
4)在5000Pa的环境压力下，使液膜中的溶剂成分快速挥发。
对比例
1)在基体起伏为150nm的FTO导电玻璃基体上，30mm/s刮涂0.5mol/L的CH3NH3PbI3前驱体溶液；
2)采用抽气法制备CH3NH3PbI3薄膜，获得钙钛矿薄膜存在一定区域的不均匀与缺失。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将太阳电池基体绒面置于密闭腔室内，在小于0.3MPa的环境压力下，利用钙钛矿溶液的饱和蒸气对太阳电池基体绒面进行熏蒸，在太阳电池基体绒面表面形成仿形预润湿层，熏蒸时钙钛矿溶液饱和蒸气的温度为0℃~100℃；
2）在仿形预润湿层表面涂布厚度不超过10 μm的钙钛矿液膜；
3）利用含有反溶剂成分的饱和蒸气对钙钛矿液膜进行熏蒸；
4）将熏蒸后的钙钛矿液膜进行干燥，在太阳电池基体绒面表面形成钙钛矿薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化方法，其特征在于，步骤1）中，仿形预润湿层的厚度小于100nm。
3.根据权利要求1所述的一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化方法，其特征在于，步骤1）中，钙钛矿溶液的溶剂为DMF、DMSO、NMP和γ-丁内脂中的一种或几种；
钙钛矿溶液的溶质为ABX3，其中A为烷基胺、脒类化合物和碱金属中的一种或两种，B为铅、锡或二者的组合，X为Br、Cl和I中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化方法，其特征在于，步骤1中，熏蒸时含有反溶剂成分饱和蒸汽的温度为0℃~100℃,熏蒸时间小于15s；步骤3）中，熏蒸时间小于30s。
5.根据权利要求1所述的一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化方法，其特征在于，步骤4）中，在小于0.1MPa的环境压力下对熏蒸后的钙钛矿液膜干燥。
6.一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化设备，其特征在于，包括密封腔室（1）、蒸气发生装置（2）和压力调节仓（3），密封腔室（1）内由上至下依次设有蒸气喷头单元（4）、涂布装置（7）、太阳电池基体（5）和基板（6），蒸气喷头单元（4）与蒸气发生装置（2）通过管路相连，压力调节仓（3）与密封腔室（1）通过管路相连；
压力调节仓（3）用于调节密封腔室（1）的压力，蒸气发生装置（2）用于向密封腔室（1）提供饱和蒸气，饱和蒸汽通过蒸气喷头单元（4）喷至太阳电池基体（5）表面。
7.根据权利要求6所述的一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化设备，其特征在于，基板（6）内设有第二温度调控装置（61）。
8.根据权利要求6所述的一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化设备，其特征在于，蒸气发生装置（2）包括气氛物质源（21）、第一温度调控装置（22）和压力调控装置（23），第一温度调控装置（22）和压力调控装置（23）均与气氛物质源（21）通信连接。
9.根据权利要求6所述的一种太阳电池基体绒面熏蒸预涂与干燥一体化设备，其特征在于，蒸气喷头单元（4）由若干个蒸气喷头组成，蒸气喷头能够单独或整体旋转。
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| 平面异质结有机-无机杂化钙钛矿太阳电池研究进展;王福芝等;《物理学报》;20150228;第64卷(第3期);全文 * |
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