CN114023888A - 一种基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法 - Google Patents

一种基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法。该基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法，在制备得到图案化的导电基底后，清洗导电基底，然后通过喷墨印刷的方式，在导电基底上制备得到功能层湿膜，并对功能层湿膜进行退火处理得到光电组件的功能层结构，能够提高一体化喷墨制备光电组件适用性以及效率。并且在进行喷墨印刷过程中，采用设置好的喷墨印刷参数和配置好的溶液墨水进行打印，能够使得制备光电组件的过程具有精度高、可图案化、效率高和成本低廉等特点，最终能够促进光电组件的产业化发展。

Description

一种基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法
技术领域
本发明涉及光电组件产业化制备领域，特别是涉及一种基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法。
背景技术
光电组件，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广阔的应用前景。目前，溶液法仍然是大面积、低成本制备光电组件的最有效方法之一。其中，旋涂和喷墨印刷是典型的溶液成膜方法。旋涂是将溶液滴加到目标基底上，利用匀胶机的离心力将溶液甩开，使其快速铺展成膜的方法，该方法具有高效、廉价、易操作的特点，但存在溶液利用率低，涂膜均匀性差等不足，影响高性能光电组件的产业化制备。喷墨印刷技术是将目标溶液通过微米孔径喷嘴喷射到基底表面成膜的方法，具有溶液利用率高、精确可控及图案化制备、成膜质量高等特点。目前，光电组件的现有制备技术中，喷墨印刷技术仅用于光电组件中部分结构的制备，并未出现基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造的方法。
发明内容
为实现光电组件的高效产业化制备，本发明提供了一种基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法，包括：
进行图案化导电基底的制备；
清洗所述制备得到的所述图案化导电基底；
设置喷墨印刷参数；所述喷墨印刷参数包括：喷头温度、喷头高度、打印频率及打印墨滴的大小；
基于设置得到的所述喷墨印刷参数在所述图案化导电基底上打印配置好的溶液墨水，得到功能层湿膜，对所述功能层湿膜进行退火处理；
重复步骤“喷墨印刷基于设置得到的所述喷墨印刷参数在所述图案化导电基底上打印配置好的溶液墨水，得到功能层湿膜，对所述功能层湿膜进行退火处理”，以制备得到光电组件的功能层结构；所述功能层结构包括吸光层、发光层、电子传输层、空穴传输层、界面修饰层和电极层；所述光电组件包括：有机光伏太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、有机发光二极管、钙钛矿发光二极管、光电探测器、叠层太阳能电池；
对制备得到的光电组件进行封装和测试操作，以完成大面积光电组件的一体化制备。
优选地，采用激光刻蚀法形成图案化的导电基底时，激光器的脉宽为预设脉宽，激光器的单脉冲能量和峰值功率均高于导电薄膜的破坏阈值。
优选地，所述喷头温度为20-80℃。
优选地，所述喷头高度为0.5mm-10mm。
优选地，所述打印频率为100HZ-100kHz。
优选地，所述打印墨滴的大小为24pl-40pl。
优选地，所述配置好的溶液墨水的浓度基于选定的溶剂和选定的溶液墨水的密度进行确定。
优选地，所述配置好的溶液墨水的密度为0.1g/ml-2g/ml。
优选地，所述配置好的溶液墨水的粘度为4cp-15cp。
优选地，所述配置好的溶液墨水的表面张力为10mN/m-80mN/m。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法，在形成图案化的导电基底后，清洗导电基底，然后通过喷墨印刷的方式，在导电基底上制备得到光电组件的各功能层湿膜，最后对各功能层湿膜退火得到功能层结构。在进行喷墨印刷过程中，采用设置好的喷墨印刷参数和配置好的溶液墨水进行打印，能够使得制备光电组件的过程具有精度高、可图案化、效率高和成本低廉等特点，同时能够实现基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造，最终促进高性能光电组件的产业化发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法对应流程图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
专业术语解释：
溶液墨水：溶液墨水包括水性墨水、非水性墨水。
喷墨印刷技术：基于喷墨原理，包括但不限于压电式、热气泡式等方式，将溶液墨水喷出，于基底上形成预设图形图案的技术。
Substrate:导电基底。
ETL(electronic transport layer)：电子传输层。
HTL(hole transport layer)：空穴传输层。
AL(active layer)：活性层，指太阳能电池中的吸光层、发光二极管中的发光层、光电探测器中的吸光层。
EL(electrode layer)：导电电极层。
ML(modification layer)：Substrate/ETL/AL/HTL/EL任意相邻两层之间的修饰层。
功能层：包括ETL、AL、HTL、EL、ML各层。
本发明的目的是提供一种基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法，能够在提高喷墨制备光电组件适用性的同时，具有高精度、可图案化、高速打印和成本低廉的特点，进而能够促进光电组件的产业化。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法，包括：
步骤100：进行图案化导电基底的制备。例如，可以采用激光刻蚀法形成图案化的导电基底。采用激光刻蚀法形成图案化的导电基底的具体实施过程可以是：设计好导电图案以后，控制激光刻蚀掉导电基底如ITO玻璃上部分的导电氧化物膜，以形成图案化的导电基底，便于后期将喷墨形成的电极引出以测试光电组件的性能。若基底已经刻蚀好电极的图案，此过程可以省略。
步骤101：清洗所述制备得到的图案化导电基底。例如，采用紫外臭氧清洗导电基底。具体实施过程可以是:传送装置将图案化的导电基底传送至紫外臭氧装置处作表面处理。用紫外臭氧装置除掉图案化的导电基底表面上残留的有机污染物。若导电基底已经清洁干净，此过程可以省略。传送装置将表面清洁的图案化导电基底传送至功能层喷墨印刷模块区域。其中，清洁时间优选在30min-50min，具体的清洁时间需要依据实际情况进行选择。
步骤102：设置喷墨印刷参数。喷墨印刷参数包括：喷头温度、喷头高度、打印频率及打印墨滴的大小。
例如，在喷墨印刷过程，需要设置调控喷头、溶液墨水和高速运动的导电基底三者之间的关系，以便得到合适厚度、致密的湿膜。为在高速打印下得到致密的湿膜，首先调控供应给喷头的溶液墨水满足喷头动态打印的要求。配置的溶液墨水的表面张力、密度、粘度均需要满足喷头正常打印的要求，溶液墨水稳定存在的温度范围能够满足喷头正常工作时的温度要求。例如，配置好的溶液墨水的密度为0.1g/ml-2g/ml。溶液墨水的粘度为4cp-15cp。溶液墨水的表面张力为10mN/m-80mN/m。
然后需要调节喷头的打印频率、墨滴的大小、喷头的高度、喷头的温度。例如，喷头温度设置在20-80℃之间，喷头高度设置在0.5mm-10mm之间，打印频率设置在100HZ-100kHz之间，打印墨滴的大小设置在24pl-40pl之间。
步骤103：基于设置得到的喷墨印刷参数在图案化导电基底上打印配置好的溶液墨水，得到功能层湿膜，对功能层湿膜进行退火处理。
步骤104：重复步骤“基于设置得到的喷墨印刷参数打印配置好的溶液墨水，得到功能层湿膜，对功能层湿膜进行退火处理”，以制备得到光电组件的功能层结构。光电组件包括但不限于有机光伏太阳能电池organic photovoltaic solar cell、钙钛矿太阳能电池perovskite solar cell、有机发光二极管organic light emitting diode、钙钛矿发光二极管perovskite light emitting diode、光电探测器photodetector、叠层太阳能电池tandem solar cell(钙钛矿-硅、钙钛矿-CIGS(铜铟镓硒)、有机-钙钛矿、钙钛矿-钙钛矿)等组件。钙钛矿材料包括三维的钙钛矿材料和准二维的钙钛矿材料。
步骤105、对制备得到的光电组件进行封装和测试，以完成大面积光电组件的一体化制备。
下面以基于喷墨印刷技术的一体化制造钙钛矿太阳能电池组件ITO/TiO2/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Ag为例，对本发明上述提供的基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法进行说明。
步骤1、图案化导电基底。
步骤2、清洁基底。
步骤3、制备电子传输层(EL)TiO2功能层结构：
首先氧化钛纳米颗粒溶液墨水需要满足喷头正常喷射的要求，形成的氧化钛纳米颗粒溶液墨水的表面张力(10mN/m)、密度(0.1g/ml)、粘度(4cp)。
然后在喷墨印刷过程，需要调节喷头的打印频率(20kHZ)、墨滴的大小(24pl)、喷头的高度(10mm)、喷头的温度(25℃)。
紧接着传送装置将电子传输层TiO2送至退火模块区域退火除掉湿膜里的溶剂，得到致密的TiO2(厚度为20-100nm)功能层结构。
最后传送装置将ITO/TiO2结构传送至光活性层(AL)喷墨印刷区域。
步骤4、制备钙钛矿吸光层(AL)MAPbI3功能层结构：
首先MAPbI3溶液墨水需要满足喷头正常喷射的要求，形成的MAPbI3溶液墨水的表面张力(10mN/m)、密度(2g/ml)、粘度(15cp)。
然后在喷墨印刷过程，需要调节喷头的打印频率(20KHZ)、墨滴的大小(24pl)、喷头的高度(10mm)、喷头的温度(25℃)。
紧接着传送装置将湿膜送至退火模块区域退火除掉湿膜里的溶剂，得到致密的MAPbI3(优选200-1000nm)功能层结构。
最后传送装置将ITO/TiO2/MAPbI3结构传送至空穴传输层(HTL)喷墨印刷区域。
步骤5、制备空穴传输层(HTL)Spiro-OMeTAD功能层结构：
首先Spiro-OMeTAD溶液墨水需要满足喷头正常喷射的要求，溶液墨水的密度(0.1g/ml)、表面张力(10mN/m)、粘度(4cp)。
然后在喷墨印刷过程，需要调节喷头的打印频率(20KHZ)、墨滴的大小(24pl)、喷头的高度(5mm)、喷头的温度(25℃)，得到致密的Spiro-OMeTAD(厚度为100-400nm)功能层结构。
最后传送装置将ITO/TiO2/MAPbI3/Spiro-OMeTAD结构传送至电极层(EL)喷墨印刷区域。
步骤6、制备电极层(EL)Ag功能层结构：
首先金属纳米颗粒(如银Ag)导电墨水溶液需要满足喷头正常喷射的要求，溶液墨水的密度(0.1g/ml)、表面张力(10mN/m)、粘度(4cp)。
然后在喷墨印刷过程，需要调节喷头的打印频率(20KHZ)、墨滴的大小(24pl)、喷头的高度(5mm)、喷头的温度(25℃)。
紧接着传送装置将湿膜送至退火模块区域退火除掉湿膜里的溶剂，得到致密的Ag(厚度为50-200nm)功能层结构。
最后传送装置将ITO/TiO2/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Ag结构传送至封装设备进行封装。
步骤7、封装太阳能电池组件：
采取相应的封装设施，完成太阳能电池组件ITO/TiO2/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Ag的封装，露出后续测试组件光电性能所需要的电极。传送装置将封装好的ITO/TiO2/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Ag太阳能电池组件传送至光电性能测试设备进行测试。
步骤8、测试封装后的太阳能电池组件的光电性能：
测试太阳能电池组件ITO/TiO2/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Ag的光电转换效率及稳定性等性能。传送装置将测试完后的ITO/TiO2/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Ag太阳能电池组件传送至分拣设备进行分拣。
步骤9、分拣合格的太阳能电池组件：
根据测试完的光电性能结果，将组件分为合格与不合格。
以上在制备电子传输层TiO2、钙钛矿吸光层MAPbI3、空穴传输层Spiro-OMeTAD和电极层Ag的过程中，溶液墨水的粘度、密度、张力等参数，以及喷头打印参数的具体数值可以依据实际打印情况在预设范围内进行选择。
光电组件结构不一样，决定了在制作过程中可以采取的装置不一样，但是采用的喷墨印刷原理相同。上述实施例描述的太阳能电池的制备工艺是按照结构配置为Substrate/ETL/AL/HTL/EL进行的，在这一结构中，除基底层，其余层都是通过喷墨印刷功能层结构的前驱体溶液形成的，除spiro-OMeTAD层，其余各层都配备退火模块除掉溶剂。实际情况，组件结构可能只涉及到部分功能层结构，如最简单的结构Substrate/AL/EL，可能包含界面修饰层(ML)，如结构Substrate/ML/ETL/ML/HTL/ML/EL，只要光电组件中有一层功能层采用基于喷墨印刷技术打印溶液墨水制备功能层结构的方法，以上情况均属于本发明的保护范围。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法，其特征在于，包括：
进行图案化导电基底的制备；
清洗所述制备得到的所述图案化导电基底；
设置喷墨印刷参数；所述喷墨印刷参数包括：喷头温度、喷头高度、打印频率及打印墨滴的大小；
基于设置得到的所述喷墨印刷参数在所述图案化导电基底上打印配置好的溶液墨水，得到各功能层湿膜，对所述各功能层湿膜进行退火处理；
重复步骤“基于设置得到的所述喷墨印刷参数在所述图案化导电基底上打印配置好的溶液墨水，得到各功能层湿膜，对所述各功能层湿膜进行退火处理”，以制备得到光电组件的功能层结构；所述光电组件包括：有机光伏太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、有机发光二极管、钙钛矿发光二极管、光电探测器、叠层太阳能电池；
对制备得到的光电组件进行封装和测试，以完成大面积光电组件的一体化制备。
2.根据权利要求1所述的基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法，其特征在于，采用激光刻蚀法进行图案化导电基底的制备时，激光器的脉宽为预设脉宽，激光器的单脉冲能量和峰值功率均高于导电薄膜的破坏阈值。
3.根据权利要求1所述的基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法，其特征在于，所述喷头温度为20-80℃。
4.根据权利要求1所述的基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法，其特征在于，所述喷头高度为0.5mm-10mm。
5.根据权利要求1所述的基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法，其特征在于，所述打印频率为100HZ-100kHz。
6.根据权利要求1所述的基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法，其特征在于，所述打印墨滴的大小为24pl-40pl。
7.根据权利要求1所述的基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法，其特征在于，所述配置好的溶液墨水的浓度基于选定的溶剂和选定的溶液墨水的密度进行确定。
8.根据权利要求1所述的基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法，其特征在于，所述配置好的溶液墨水的密度为0.1g/ml-2g/ml。
9.根据权利要求1所述的基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法，其特征在于，所述配置好的溶液墨水的粘度为4cp-15cp。
10.根据权利要求1所述的基于喷墨印刷技术的光电组件一体化制造方法，其特征在于，所述配置好的溶液墨水的表面张力为10mN/m-80mN/m。
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