CN112490372B - 一种太阳电池基体绒面蒸气预涂与涂膜一体化方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳电池基体绒面蒸气预涂与涂膜一体化方法及设备，属于材料科学技术和薄膜制备技术领域。该方法包括以下步骤：1)利用钙钛矿溶液或溶胶的饱和蒸气对太阳电池基体绒面进行预涂，在太阳电池基体绒面表面形成一层仿形预润湿层，其中钙钛矿溶液的饱和蒸气的温度为0℃～100℃；2)5s内在仿形预润湿层表面涂覆钙钛矿液膜。本发明通过提前利用蒸汽对太阳电池绒面进行预涂处理，避免直接涂覆液膜过程中，液膜裹挟空气无法浸润凹坑内部，大幅减少了钙钛矿薄膜与太阳电池基体间的未覆盖孔洞，提高了钙钛矿溶液的涂覆速度和涂覆质量，为快速制备高效大面积钙钛矿太阳电池提供了良好条件。
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，涉及溶液法制备大面积薄膜及其在钙钛矿太阳电池中的应用，具体涉及一种太阳电池基体绒面蒸气预涂与涂膜一体化方法及设备。
背景技术
随着不可再生能源的逐渐枯竭，以及化石燃料消耗带来的环境影响，寻求新型可再生能源成为国内外研究和关注的焦点。太阳能光伏是利用最多的一种能源方式，主要包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、有机光伏(OPV)、薄膜太阳能电池(CIGS)以及近些年逐渐兴起的钙钛矿电池。钙钛矿电池是以ABX3结构的钙钛矿型材料作为光吸收层的新型太阳电池，自其首次报导以来，由于其简单的制备手段以及超低的生产成本受到广泛关注。小面积电池的效率已经突破25％，而大面积电池的效率由于制备工艺的影响仍然难以与小面积电池相媲美。
在大面积钙钛矿薄膜的制备过程中，液膜的涂覆受到基体粗糙程度、涂覆速度的影响，在液膜润湿基体或底层薄膜时，容易出现绒面凹坑未填充的现象并形成薄膜孔洞，尤其是快速涂覆过程中大面积液膜出现不均匀、缺失的现象，都严重降低了钙钛矿太阳电池的效率和其他光电性能。钙钛矿薄膜的致密性、均匀性成为电池光电性能的重要障碍，而传统的实验室制膜手段包括旋涂法、狭缝涂布法、喷雾法等，在简单调节工艺参数的条件下，都无法有效解决大面积工业化制备钙钛矿液膜的问题。
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蒸气预涂与涂膜一体化方法及设备，以解决目前制备工艺在快速涂覆大面积钙钛矿太阳电池薄膜中，由于绒面凹坑内部未填充导致的薄膜不均匀与缺失问题。
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蒸气预涂与涂膜一体化方法，包括以下步骤：
1)利用钙钛矿溶液或溶胶的饱和蒸气对太阳电池基体绒面进行预涂，在太阳电池基体绒面表面形成一层仿形预润湿层，其中钙钛矿溶液的饱和蒸气的温度为0℃～100℃；
2)在仿形预润湿层表面涂覆钙钛矿液膜，在太阳电池基体绒面上形成钙钛矿液膜。
优选地，步骤1)中，钙钛矿前驱体溶胶或溶液，溶剂为DMF、DMSO、NMP和γ-丁内脂中的一种或几种；溶质为ABX3，其中A为烷基胺、碱金属或二者组合，B为铅、锡或二者组合，X为Br、Cl和I中的一种或几种。
优选地，步骤1)中，仿形预润湿层的厚度小于100nm。
优选地，步骤2)中，在5s内完成仿形预润湿层表面涂覆钙钛矿液膜的操作。
本发明还公开了一种太阳电池基体绒面蒸气预涂与涂膜一体化设备，包括涂布装置、气氛发生装置、蒸气喷吹装置、太阳电池基体和基板；气氛发生装置与蒸气喷吹装置通过管路连接，蒸气喷吹装置和涂布装置均位于太阳电池基体的上方，太阳电池基体固定于基板上方；蒸气喷吹装置与涂布装置同步运动且二者的相对速度可调。
优选地，气氛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连接。
优选地，基板内设有用于调节基板温度的第二温度调控装置。
优选地，基板内设有基板位移及振动装置。
优选地，基板位移及振动装置的移动或振动方向为基板的水平方向、基板的法线方向或二者的复合方向。
优选地，蒸气喷吹装置采用固定式、移动式或旋转式。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的太阳电池基体绒面蒸气预涂与涂膜一体化方法，利用钙钛矿溶液或溶胶的在0℃～100℃饱和蒸气对太阳电池基体绒面进行预涂，在太阳电池基体绒面表面形成一层仿形预润湿层，并快速在仿形预润湿层表面涂覆钙钛矿液膜。在0～100℃的温度下饱和蒸气支持绒面起伏上的钙钛矿液相维持稳定的相和结构，而不会转变为固相、气相，或分解为其他结构，这段时间内钙钛矿液相在表面张力作用下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预涂。本发明通过提前利用蒸汽对太阳电池绒面进行预涂处理，避免直接涂覆液膜过程中，液膜裹挟空气无法浸润凹坑内部，大幅减少了钙钛矿薄膜与太阳电池基体间的未覆盖孔洞，提高了钙钛矿溶液的涂覆速度和涂覆质量，为快速制备高效大面积钙钛矿太阳电池提供了良好条件。
本发明公开的太阳电池基体绒面蒸气预涂与涂膜一体化方法及装备，通过设置涂布与蒸气喷吹装置，可以实现大面积钙钛矿电池的涂布与制备，在保证薄膜质量的前提下，利用喷吹装置提供的预润湿作用，可以加快液膜的涂布过程，同时加强了液膜与太阳电池基体粗糙表面的润湿作用，解决了目前制备工艺在快速涂覆大面积钙钛矿太阳电池薄膜中，由于绒面凹坑内部未填充导致的薄膜不均匀与缺失问题。
附图说明
图1为本发明太阳电池基体绒面蒸气预涂与涂膜一体化装备示意图。；
其中：1-涂布装置；2-气氛发生装置；21-气氛物质源；22-第一温度调控装置；23-压力调控装置；3-蒸汽喷吹装置；4-太阳电池基体；5-基板，51-第二温度调控装置，52-基板位移及振动装置。
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：
本发明公开额一种太阳电池基体绒面蒸气预涂与涂膜一体化方法，包含以下步骤：
1)利用0℃～100℃温度钙钛矿ABX3溶液成分饱和蒸气，以5mm/s～100mm/s的速度预涂太阳电池绒面，制备厚度小于100nm的仿形预润湿层，实现太阳电池表面起伏的预涂；
2)在5s内利用涂布装置，在仿形预涂层上涂覆钙钛矿液膜，避免预润湿层迅速挥发。
参见图1，一种太阳电池基体绒面蒸气预涂与涂膜一体化设备，包括涂布装置1、气氛发生装置2、蒸气喷吹装置3、太阳电池基体4和基板5，气氛发生装置2与蒸气喷吹装置3管路连接，蒸气喷吹装置3和涂布装置1均位于太阳电池基体4的上方，蒸气喷吹装置3与涂布装置1具有联动关系，太阳电池基体4位于基板5上方。蒸气预涂与涂膜一体化设备既可以处于开放环境，又可以处于非承压封闭环境。
优选地，气氛发生装置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。基板5内设有第二温度调控装置51和基板位移及振动装置52，基板位移及振动装置52的移动或振动方向为基板5的水平方向、基板5的法线方向或二者的复合方向。
优选地，蒸气喷吹装置3包括若干个喷头、气刀、吹管，蒸气喷吹装置3为固定式、移动式或旋转式。
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，以45mm/s的速度进行预涂，制备厚度为40nm仿形预润湿层；
2)通过狭缝涂布方法在FTO导电玻璃基体上，以45mm/s的速度制备一层厚度约1000nm的液膜。
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，以35mm/s的速度进行预涂，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，以30mm/s的速度制备一层厚度约2000nm的液膜。
实施例3
1)以氯苯为溶剂，配制质量百分浓度为5％的PCBM溶液，利用20℃的PCBM溶液饱和蒸气，对起伏为500nm的钙钛矿薄膜，以50mm/s的速度进行预涂，制备厚度为50nm的仿形预润湿层；
2)通过刮涂法在钙钛矿薄膜上，以40mm/s的速度制备一层厚度约3000nm的液膜。
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，以30mm/s的速度进行预涂，制备厚度为100nm的仿形预润湿层；
2)通过喷墨打印方法在ITO柔性导电基体，以20mm/s的速度制备一层厚度约4000nm的液膜。
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，以40mm/s的速度进行预涂，制备厚度为100nm的仿形预润湿层；
2)通过狭缝涂布方法在FTO导电玻璃基体，以20mm/s的速度制备一层厚度约5000nm的液膜。
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 (6)
1.一种太阳电池基体绒面蒸气预涂与涂膜一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）利用钙钛矿溶液或溶胶的饱和蒸气对太阳电池基体绒面进行预涂，在太阳电池基体绒面表面形成一层厚度小于100nm的仿形预润湿层，其中钙钛矿溶液的饱和蒸气的温度为0℃~100℃，在该温度下饱和蒸气支持绒面起伏上的钙钛矿液相维持稳定的相和结构，不会转变为固相、气相，或分解为其他结构；
其中，钙钛矿前驱体溶胶或溶液，溶剂为DMF、DMSO、NMP和γ-丁内脂中的一种或几种；溶质为ABX3，其中A为烷基胺、脒类化合物、碱金属或二者组合，B为铅、锡或二者组合，X为Br、Cl和I中的一种或几种；
2）在仿形预润湿层表面涂覆钙钛矿液膜，在太阳电池基体绒面上形成钙钛矿液膜。
2.一种太阳电池基体绒面蒸气预涂与涂膜一体化设备，其特征在于，包括涂布装置（1）、气氛发生装置（2）、蒸气喷吹装置（3）、太阳电池基体（4）和基板（5）；气氛发生装置（2）与蒸气喷吹装置（3）通过管路连接，蒸气喷吹装置（3）和涂布装置（1）均位于太阳电池基体（4）的上方，太阳电池基体（4）固定于基板（5）上方；蒸气喷吹装置（3）与涂布装置（1）同步运动且二者的相对速度可调，蒸气喷吹装置（3），用于提供预润湿作用；
气氛发生装置（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）连接。
3.根据权利要求2所述的一种太阳电池基体绒面蒸气预涂与涂膜一体化设备，其特征在于，基板（5）内设有用于调节基板温度的第二温度调控装置（51）。
4.根据权利要求2所述的一种太阳电池基体绒面蒸气预涂与涂膜一体化设备，其特征在于，基板（5）内设有基板位移及振动装置（52）。
5.根据权利要求2所述的一种太阳电池基体绒面蒸气预涂与涂膜一体化设备，其特征在于，基板位移及振动装置（52）的移动或振动方向为基板（5）的水平方向、基板（5）的法线方向或二者的复合方向。
6.根据权利要求2所述的一种太阳电池基体绒面蒸气预涂与涂膜一体化设备，其特征在于，蒸气喷吹装置（3）采用固定式、移动式或旋转式。
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