CN112844966A - 通风装置和涂布装置及使用该涂布装置制备的钙钛矿电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通风装置，包括壳体、通风件以及导流件，壳体设有第一风口、第二风口，通风件安装于壳体的第二风口处，若干导流件相互间隔地安装在空腔内，每个导流件上设有供气流经过的导流孔，以使第一风口处气体流动均匀。本发明还公开一种使用该通风装置的涂布装置，以及使用该涂布装置制备的钙钛矿电池。本发明通过导流件的设置，减缓气体流入速度和增加气流流入的均匀性，以使通风装置能够持续稳定进行通风，有效对湿膜各处位置的溶剂含量进行调控以及有效调节湿膜内的溶剂挥发速率，制备得到更加均匀的钙钛矿薄膜，提高了钙钛矿太阳能电池的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种通风装置和涂布装置及使用该涂布装置制备的钙钛矿电池。
背景技术
狭缝式涂布在锂电池、造纸业、涂料和太阳能薄膜电池等领域有重要的应用。一般的传统材料涂布后，只需用加热台或烘箱加热干燥使涂布后的湿膜固化成膜。部分涂布装置，为了促进湿膜的溶剂挥发，加快湿膜的固化时间以提高产率，在涂布装置的后段加上抽风干燥装置以提高溶剂的挥发速率。
因为钙钛矿太阳能电池薄膜是晶体型的，钙钛矿太阳能薄膜涂布后，由于在涂布方向上薄膜的涂布先后时间不同，涂布后的薄膜不同位置处的溶液结晶生长过程也不同。由于大面积涂布过程中涂布完整的薄膜耗时比较长，如果在涂布过程中不对薄膜的形貌及时加以调节，涂布后的湿膜在固化过程中极其容易出现非均匀形核导致最终生长的晶体形貌分布不均匀，从而影响产品质量。因此，在钙钛矿太阳能薄膜的涂布过程中需要根据涂布的先后顺序依次处理涂布方向上的不同位置处的薄膜，确保处理后的薄膜形貌状态一致以提高薄膜的均一性。
现有的，当涂布物被涂布到基材后，通过涂布辊和导向辊上的传送带送出，经过传送带上端的通风机通风促使涂布物的溶剂挥发。然而，由于通风机在空间区域上通风不均匀，造成通风机的设置作用只是为了促进溶剂挥发和冷却，难以有效对薄膜各处位置的溶剂含量进行调控以及有效调节湿膜内的溶剂挥发速率，从而得不到均一性较好的薄膜。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种通风装置和涂布装置及使用该涂布装置制备的钙钛矿电池，用于解决现有技术中通风装置通风不均匀，难以有效对涂布的薄膜各处位置的溶剂含量进行调控以及有效调节湿膜内的溶剂挥发速率的技术问题。
本发明是这样实现的，提供一种通风装置，包括壳体、通风件以及导流件，所述壳体具有空腔以及分别与空腔相连通的第一风口、第二风口，所述通风件安装于壳体的第二风口处，若干所述导流件相互间隔地安装在空腔内，每个所述导流件上开设有供气流经过的导流孔，以使所述第一风口处气体流动均匀。
进一步地，所述通风件为抽风机或吹风机，所述抽风机将空腔内部形成负压状态，所述吹风机将空腔内部形成正压状态。
进一步地，所述导流件为多孔材料层或阻尼网，所述多孔材料的孔径大小为0.1μm~10000μm，所述阻尼网为网状孔洞式结构或长条状狭缝式结构。
进一步地，所述壳体的外形呈圆锥形结构、弧形曲面结构或方形结构。
本发明是这样实现的，还提供一种涂布装置，包括涂布平台、涂布头以及通风装置，所述涂布头以及通风装置间隔安装于涂布平台上，所述涂布平台用于输送涂布基底，所述涂布头在涂布基底表面涂覆湿膜，所述通风装置如上所述的通风装置，所述通风装置的第一风口在该湿膜表面产生气体流动。
进一步地，所述涂布基底为刚性基底，所述涂布基底放置在涂布平台上随涂布平台一起水平移动。
进一步地，所述涂布基底为柔性基底，所述涂布平台包括传入辅助辊、涂布辊以及传出辅助辊，所述涂布基底卷绕在传入辅助辊、涂布辊以及传出辅助辊上，所述涂布头与涂布辊相对应，所述通风装置设置于涂布辊处，或者设置于涂布辊与传出辅助辊之间，或者设置于涂布辊处及涂布辊与传出辅助辊之间。
进一步地，所述通风装置的第一风口与涂布基底的运行方向平行或垂直。
本发明是这样实现的，还提供一种钙钛矿电池，包括钙钛矿薄膜层，所述钙钛矿薄膜层采用如前所述的涂布装置进行制备。
与现有技术相比，本发明的通风装置和涂布装置及使用该涂布装置制备的钙钛矿电池，通过导流件的设置，可以减缓气体流动速度和增加气流流动的均匀性，以使通风装置能够持续稳定进行通风，有效对薄膜各处位置的溶剂含量进行调控以及有效调节湿膜内的溶剂挥发速率。而且有效改善通风装置在空间分布上通风的均匀性，提高通风装置的运行稳定性。使用本发明涂布装置制备得到更加均匀的钙钛矿薄膜，提高了钙钛矿太阳能电池的效率。
附图说明
图1为本发明的通风装置一较佳实施例的结构示意图一；
图2为本发明的通风装置另一较佳实施例使用状态示意图；
图3为本发明的通风装置第三较佳实施例使用状态示意图；
图4为本发明的涂布装置的一较佳实施例的结构示意图；
图5为本发明的涂布装置的实施例1的结构示意图；
图6为本发明的涂布装置的实施例2的结构示意图；
图7为本发明的涂布装置的实施例3的结构示意图；
图8为本发明的涂布装置的实施例4的结构示意图；
图9为使用本发明的通风装置和涂布装置制备钙钛矿太阳能电池组件与采用传统方式制备钙钛矿太阳能电池组件的电池效率对比示意图。
标号说明：
100、涂布装置；101、涂布平台；102、涂布头；103、涂布基底；104、传入辅助辊；105、涂布辊；106、传出辅助辊；107、传送带；10、通风装置；11、壳体；111、进风口；112、出风口；113、空腔；12、通风件；13、导流件；14、第一真空室；15、第二真空室。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请同时参照图1、图2以及图3所示，本发明的通风装置较佳实施例。所述通风装置10包括壳体11、通风件12以及导流件13。所述壳体11具有空腔113以及分别与空腔113相连通的第一风口、第二风口，所述通风件12安装于壳体11的第二风口处，若干所述导流件13相互间隔地安装在空腔113内。每个所述导流件13上设有供气流经过的导流孔（图中未示出），以使所述第一风口处气体流动均匀。
所述通风件12为抽风机或吹风机。所述抽风机将空腔113内部形成负压状态，所述吹风机将空腔113内部形成正压状态。在本实施例中，所述通风件12为抽风机，所述第一风口为进风口111，所述第二风口为出风口112，抽风机安装于壳体11的出风口112处。
如图1所示，相邻的两个所述导流件13之间形成第二真空室15，靠近空腔113一侧的导流件13与壳体11围设，以使空腔113形成第一真空室14。其中，第一真空室14的气压低于第二真空室15的气压，第二真空室15的气压低于进风口的气压。
可以理解的是，第一真空室14的设置能够确保气流流入均匀性，同时减少长时间抽风过程中因抽风件12的抽风功率不稳定而造成的气流波动，第二真空室15的设置能够进一步地确保气流流入均匀性，同时进一步减少长时间抽风过程中因抽风件12的抽风功率不稳定而造成的气流波动。
所述导流件13为多孔材料层或阻尼网。所述多孔材料的孔径大小为0.1μm~10000μm，根据抽风流量大小和气压大小来选取合适的孔径。所述阻尼网为网状孔洞式结构或长条状狭缝式结构。其作用是减缓气体流入速度和增加气流流入的均匀性。所述壳体11的外形呈圆锥形结构如图1所示、弧形曲面结构如图3所示或方形结构如图2所示。
可以理解的是，在通风件12的抽风过程中，气体经过进风口111处的导流件13，在导流件13的作用下，减缓气体流入速度和增加气流流入的均匀性，以使通风装置10能够持续稳定进行抽风，有效对薄膜各处位置的溶剂含量进行调控以及有效调节湿膜内的溶剂挥发速率。
所述通风装置10的进风口111与涂布基底103的运行方向平行或垂直。
如图2所示，所述通风装置10的进风口111与涂布基底103的运行方向平行，进风口111的水平面可以与涂布基底103的水平面形成一个很小的角度。该结构设计的目的是确保涂布基底103表面的湿膜内的溶剂随着气流沿涂布基底103平面方向被抽入通风装置10内。
本水平设置的通风装置10最明显的特征是抽风的气流流动方向是平行与基底外表面，在某一时刻只能处理进风口111位置下的部分湿膜，可以高效后处理湿膜并减少装置的占用空间。该装置有利于环境中气流对流的稳定性，减少涡流等紊流产生。
在图3中，所述通风装置10的进风口111与涂布基底103的运行方向垂直。涂布基底103放置在传送带107上，当涂布基底103的部分或全部运动到通风装置10下时进行后处理。为了确保通风装置10内气流流动的稳定性和外部气流能均匀流入通风装置10内，进风口111的口径大于出风口112，被抽入通风装置10内的部分气流沿着空腔113的管壁在通风装置10的中心汇集后被从出风口112抽走。
该垂直设置的通风装置10最明显的特征是可以局部或者完整覆盖涂布基底103的表面。抽风气流从各个方向上平行于涂布基底103表面被流入通风装置10内，在通风装置的出风口汇流后被稳定抽出。
请同时参照图2、图3以及图4所示，本发明还公开一种涂布装置，包括涂布平台101、涂布头102以及通风装置，所述涂布头102以及通风装置间隔安装于涂布平台101上，所述涂布平台101用于输送涂布基底103，所述涂布头102在涂布基底103表面涂覆湿膜，所述通风装置如上所述的通风装置10，所述通风装置10的进风口111在该湿膜表面产生气体流动。所述涂布头102以及通风装置10之间相对位置可调整，所述通风装置10与涂布基底103的高度也可调整。
在通风装置10应用于涂布装置100上时，可以制备更加均匀的钙钛矿薄膜，通过通风装置10产生均匀的气体对流，以促使钙钛矿湿膜内溶剂的挥发，从而提高了溶液的浓度促使溶液形核结晶，极大改善了钙钛矿太阳能电池薄膜的膜厚均匀性和薄膜形貌质量，减少了传统后处理（热处理）过程中产生的薄膜缺陷，从而提高了钙钛矿太阳能电池效率。
当所述通风装置10的进风口111与涂布基底103的运行方向平行设置时，涂布头102和通风装置10在水平方向上的相对位置保持不变，而且两者之间的距离要小于湿膜后处理的窗口时间与涂布速度乘积。但距离也不能太近，防止通风装置10对涂布头102处的溶液分布造成干扰。
当所述通风装置10的进风口111与涂布基底103的运行方向垂直设置时，通风装置10与涂布基底103间的距离一般由通风装置10的抽风速率、抽风装置的抽风口面积大小、湿膜内溶剂的含量和沸点等条件决定。一般地，抽风速率越大、抽风口面积越小、湿膜内溶剂含量越少、溶剂的沸点越低，通风装置10与涂布基底103间的设置距离约小。
所述涂布基底103为刚性基底，所述涂布平台101水平设置，所述涂布基底103放置在涂布平台101上随涂布平台101一起水平移动。
请同时参照图5至图8所示，所述涂布基底103为柔性基底。所述涂布平台101包括传入辅助辊104、涂布辊105以及传出辅助辊106。所述涂布基底103卷绕在传入辅助辊104、涂布辊105以及传出辅助辊106上，所述涂布头102与涂布辊105相对应，所述通风装置10设置于涂布辊105处，或者设置于涂布辊105与传出辅助辊106之间，或者设置于涂布辊105处及涂布辊105与传出辅助辊106之间。
下面结合具体实施例来进一步说明涂布装置100在涂覆柔性基底的情况下，涂布平台101、涂布头102以及通风装置10之间相互排布方式。
实施例1
如图5所示，所述涂布平台101包括传入辅助辊104、涂布辊105以及传出辅助辊106，所述涂布基底103依次绕过传入辅助辊104、涂布辊105以及传出辅助辊106，所述涂布头102与涂布辊105相对应，所述通风装置10设置于涂布辊105处及涂布辊105与传出辅助辊106之间。所述涂布基底103由传入辅助辊104传入，所述涂布头102的溶液喷涂到涂布辊105上的涂布基底103上后，所述涂布基底103再由传出辅助106辊传出。其中，传入辅助辊104、涂布辊105以及传出辅助辊106三者的线速度一致。
缠绕在传入辅助辊104与涂布辊105上的涂布基底103与涂布辊105相切于L2，缠绕在传出辅助辊106与涂布辊105上的涂布基底103与涂布辊105相切于L1。涂布头102的对称轴线M指向涂布辊105的圆心O。OL1与OM的夹角θ为模头对称轴线与传出点处涂布辊105的轴向线间的夹角，OL2与OM的夹角η为模头对称轴线与传入点处涂布辊105的轴向线间的夹角。过涂布辊105圆心O的垂直线H与OL2的夹角为δ。当δ<180°时，OL2在垂直线OH的左侧；当δ>180°时，OL2在垂直线OH的右侧。其中，0<θ、η、θ+η<360°。δ的取值大小与θ和η相独立，0<δ<360°。
实施例2
如图6所示，当θ=0，θ+η+δ=180°时的装置图。此时缠绕在涂布辊105和传出辅助辊106的涂布基底103处于水平位置，涂布头102的轴向线为垂直向下状态，通风装置10设置于涂布辊105与传出辅助辊106之间。该状态下涂布，避免了因重力作用造成涂布后的溶液在传送过程中发生移动而导致的湿膜厚度不均匀的问题。通风装置10的进风口111平面可以与涂布基底103形成一定的倾斜角，以调整涂布后湿膜在不同位置处（或涂布后的不同时刻下）的抽风量大小。当然，为了更有效地和更稳定地处理涂布后的湿膜，可以将通风装置10的出风口112尽量贴近涂布后的涂布基底103表面以增加抽风处理的效率。
实施例3
如图7所示，为η=0，δ=0时的装置图。此时缠绕在涂布辊105和传入辅助辊104的涂布基底103处于水平位置，涂布头102的轴向线为垂直向上状态。该状态下涂布，涂布头102的溶液是由下向上注出，直接避免了因空气进入涂布头102模腔内造成注液过程的不稳定，有利于提高长时间涂布过程的稳定性。比较适用于低粘度和中粘度溶液的涂布。然而该涂布方法涂布后的溶液会受到重力的影响比较大，因此在工艺调整中可以减少θ值来缩短通风装置10与涂布头102之间的运动轨迹长度。另外，还可以通过在涂布辊105的外侧设置通风装置10来及时对涂布后的溶液进行抽风处理。所述通风装置10分别设置于涂布辊105处及涂布辊105与传出辅助辊106之间。
实施例4
如图8所示，θ+η+δ=360°时的装置图。此时缠绕在涂布辊105和传出辅助辊106的涂布基底103处于水平位置。通风装置10设置于涂布辊105处及涂布辊105与传出辅助辊106之间。通风装置10处于涂布基底103的底部正下方，通风装置10的进风口111朝上。抽风的气流由上至下被抽入通风装置10内，相对于进风口111朝上装置处理，进风口111朝下装置有利于减少涂布环境中空气流动的灰尘，从而减少涂布后的湿膜中的杂质颗粒缺陷，提高产品质量。
在本实施方式中，所述通风件12为抽风机。当然，在其它实施方式中，所述通风件12也可以为真空泵。
本发明还公开一种钙钛矿电池，包括钙钛矿薄膜层，所述钙钛矿薄膜层采用如前所述的涂布装置进行制备。
下面结合具体实施例来说明本发明的钙钛矿电池的良好效果。
实施例5
本发明的钙钛矿电池采用一步法钙钛矿前驱体溶液的涂布方式进行制备。首先制备前驱体溶液为1.1mol/L MAPbI3，其中溶剂为γ-GBL和DMF（两者体积比为6:4）。采用前述的实施例2的涂布装置100进行前驱体溶液湿膜的涂布。涂布的主要参数为：涂布基底103面积：2300cm2，涂布速度：20mm/s，涂布流量：18μL/s，通风装置10与涂布基底103之间的高度：100μm。
涂布后的湿膜用如图2所示的通风装置10进行抽风后处理。通风装置10内填充有介孔材料以改善通风装置抽风的均匀性（介孔材料的填充位置如图1的103和105所示）。利用本通风装置10抽风后处理得到的钙钛矿薄膜的颜色分布均匀，全部呈现为黑褐色。涂布后的湿膜已完全转变为钙钛矿。
进一步地在此基础之上采用常规方式制备钙钛矿太阳能电池。制备的该钙钛矿太阳能电池组件的结构为PEN/PTAA/MAPbI3/PCBM/Al2O3/Ag。
对比例
该对比例采用与实施例5相同的方法利用涂布装置100进行前驱体溶液湿膜涂布，不同的是，涂布后的湿膜用传统的抽风装置进行抽风后处理。传统抽风装置参考图1，但传统抽风装置内部不含有“阻尼网”或“多孔材料”结构（即不含有部件103或105）。传统抽风装置抽风后处理得到的钙钛矿薄膜从外表上看，整一膜面“抽风流纹”异常明显，薄膜内仅靠近外部的物质转化为钙钛矿，而靠近内部的物质未转化为钙钛矿（内部有很多孔洞）。
进一步地在此基础之上采用与实施例5完全相同的常规方式制备钙钛矿太阳能电池。
将实施例5和对比例制备的钙钛矿太阳能电池进行效率对比分析，得到如图9所示的电池效率对比示意图。实施例5和对比例制备的钙钛矿太阳能电池进行效率对应为：18.4%和3.6%。明显可见，实施例5的使用本专利的通风装置10制备的钙钛矿电池效率更高，本发明的涂布装置更适用于钙钛矿太阳能电池的工业化生产。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种通风装置，其特征在于，包括壳体、通风件以及导流件，所述壳体具有空腔以及分别与空腔相连通的第一风口、第二风口，所述通风件安装于壳体的第二风口处，若干所述导流件相互间隔地安装在空腔内，每个所述导流件上设有供气流经过的导流孔，以使所述第一风口处气体流动均匀。
2.根据权利要求1所述的通风装置，其特征在于，所述通风件为抽风机或吹风机，所述抽风机将空腔内部形成负压状态，所述吹风机将空腔内部形成正压状态。
3.根据权利要求1或2所述的通风装置，其特征在于，所述导流件为多孔材料层或阻尼网，所述多孔材料的孔径大小为0.1μm~10000μm，所述阻尼网为网状孔洞式结构或长条状狭缝式结构。
4.根据权利要求1或2所述的通风装置，其特征在于，所述壳体的外形呈圆锥形结构、弧形曲面结构或方形结构。
5.一种涂布装置，包括涂布平台、涂布头以及通风装置，所述涂布头以及通风装置间隔安装于涂布平台上，所述涂布平台用于输送涂布基底，所述涂布头在涂布基底表面涂覆湿膜，其特征在于，所述通风装置如权利要求1至4中任意一项所述的通风装置，所述通风装置的第一风口在该湿膜表面产生气体流动。
6.根据权利要求5所述的涂布装置，其特征在于，所述涂布基底为刚性基底，所述涂布基底放置在涂布平台上随涂布平台一起水平移动。
7.根据权利要求5所述的涂布装置，其特征在于，所述涂布基底为柔性基底，所述涂布平台包括传入辅助辊、涂布辊以及传出辅助辊，所述涂布基底卷绕在传入辅助辊、涂布辊以及传出辅助辊上，所述涂布头与涂布辊相对应，所述通风装置设置于涂布辊处，或者设置于涂布辊与传出辅助辊之间，或者设置于涂布辊处及涂布辊与传出辅助辊之间。
8.根据权利要求5所述的涂布装置，其特征在于，所述通风装置的第一风口与涂布基底的运行方向平行或垂直。
9.一种钙钛矿电池，包括钙钛矿薄膜层，其特征在于，所述钙钛矿薄膜层采用如权利要求5~8所述的涂布装置进行制备。
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