CN114377903A - 一种刮涂组件及刮涂设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刮涂组件及刮涂设备，包括：第一盖板；刷头，所述刷头与所述第一盖板可拆卸连接，且所述刷头的一端设有齿状结构；以及第二盖板，所述第二盖板与所述第一盖板可拆卸连接，并将所述刷头夹持在所述第一盖板和所述第二盖板之间，使所述齿状结构从所述第一盖板和所述第二盖板之间伸出，所述刮涂组件通过所述齿状结构输出溶液铺展成膜。本发明所述刮涂组件通过所述齿状结构输出溶液铺展成膜，能够产生强剪切流，制备出光电性能良好的半导体薄膜；同时可以连续制备大面积薄膜，适用于柔性和曲面基底，并且材料利用率高，能够有效减少薄膜制备过程中对溶液的浪费。
Description
技术领域
本发明涉及有机光电器件技术领域，尤其涉及一种刮涂组件及刮涂设备。
背景技术
光电器件(如有机半导体器件、量子点光电器件和钙钛矿光电器件等)功能层薄膜可通过溶液法制备，易于实现薄膜大面积、低成本的卷对卷印刷，在光伏电池、场效应晶体管和发光二极管器件领域具有广泛的应用，在可穿戴、可拉伸设备等领域也具有巨大的应用潜力。
当前实验室溶液法制备小面积光电器件功能层薄膜的技术日趋成熟，器件性能逐渐超过商业化生产阈值。然而，现有的有机半导体薄膜制备领域中，薄膜形貌不可控且重复性不理想，以及薄膜制备工艺无法兼顾器件性能和大批量生产等问题依然无法得到解决。已有研究证明：在溶液法处理中，液体的速度场和剪切率对分子的排列和有序聚集具有重要影响，可加强薄膜载流子迁移率、提高薄膜结晶度、得到合适的域尺寸。当前主流大面积薄膜制备工艺包括：喷墨打印法、刮涂法和狭缝涂布法。喷墨打印法利用压电陶瓷将液体以小液滴的形式打出，沉积在基板上后液滴融合形成连续薄膜，该过程中液滴受到咖啡环和马兰格尼流的影响，难以保证薄膜的形貌；刮涂法和狭缝涂布工艺通过控制涂覆头和基板之间的距离得到剪切流，利于有序薄膜的制备和器件性能的提高，但传统刮涂法供液方式不连续，狭缝涂布法具有难以调控的参数组，且两者都需要控制基板和涂覆头之间数百微米间隙，从而难以进行曲面共形制备。
因此，现有技术中依然有问题亟需解决。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种刮涂组件及刮涂设备，用于制备柔性光电薄膜，从而解决现有薄膜制备工艺无法连续制备大面积薄膜，且制备过程中对溶液浪费大的问题。
为了解决上述问题，本发明公开了一种刮涂组件，其中，包括：第一盖板；刷头，所述刷头与所述第一盖板可拆卸连接，且所述刷头的一端设有齿状结构；以及第二盖板，所述第二盖板与所述第一盖板可拆卸连接，并将所述刷头夹持在所述第一盖板和所述第二盖板之间，使所述齿状结构从所述第一盖板和所述第二盖板之间伸出，所述刮涂组件通过所述齿状结构输出溶液铺展成膜。
可选地，所述齿状结构为均匀排列的齿状结构，其中所述齿状结构的间隙为5-500μm，所述齿状结构中单个齿的宽度为5-500μm，长度为0.03-5mm。
可选地，所述齿状结构由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚碳酸酯中的一种加工而成。
可选地，所述刷头为分体式设计，包括可拆卸连接的垫片和刮片，其中所述垫片与所述第一盖板可拆卸连接，夹持在所述第一盖板和所述第二盖板之间；所述刮片的第一端与所述垫片可拆卸连接，所述刮片的第二端设有所述齿状结构并从所述第一盖板与所述第二盖板之间伸出。
可选地，所述垫片的一端设有容纳槽，所述垫片的另一端设有溶液通道与所述容纳槽连通，所述第一盖板与所述第二盖板夹持所述垫片时封闭所述容纳槽，以通过所述溶液通道向所述容纳槽注入溶液并存储。
可选地，所述刮片的所述第一端与所述垫片的所述容纳槽的形状适配，且所述第一端的厚度小于所述容纳槽的深度，以实现将所述第一端卡持在所述容纳槽中，并将所述容纳槽中存储的溶液通过所述刮片的所述第二端输出铺展成膜。
可选地，所述刷头为一体式设计，且在所述第一盖板上设有与所述刷头形状适配的容纳槽，以实现所述第一盖板与所述第二盖板可拆卸连接时将所述刷头夹持在所述第一盖板与所述第二盖板之间。
可选地，所述第一盖板的一端设有溶液通道与所述容纳槽连通，所述第一盖板与所述第二盖板夹持所述刷头时封闭所述容纳槽，以通过所述溶液通道向所述容纳槽注入溶液并通过所述刷头的所述齿状结构输出溶液铺展成膜。
可选地，所述第一盖板与所述第二盖板的对应位置设有通孔，通过固定螺栓和螺母实现所述第一盖板与所述第二盖板的可拆卸连接，并将所述刷头夹持在所述第一盖板与所述第二盖板之间。
本发明还公开了一种刮涂设备，其中，所述刮涂设备包括基板、供液装置以及如上任一项所述的刮涂组件，其中所述供液装置与所述刮涂组件相连以供给溶液，所述刮涂组件的齿状结构与所述基板接触，刮涂过程中所述基板与所述刮涂组件产生相对移动，所述刮涂组件通过所述齿状结构在所述基板表面输出溶液铺展成膜。
本发明提供了一种刮涂组件及刮涂设备，包括：第一盖板；刷头，所述刷头与所述第一盖板可拆卸连接，且所述刷头的一端设有齿状结构；以及第二盖板，所述第二盖板与所述第一盖板可拆卸连接，并将所述刷头夹持在所述第一盖板和所述第二盖板之间，使所述齿状结构从所述第一盖板和所述第二盖板之间伸出，所述刮涂组件通过所述齿状结构输出溶液铺展成膜。本发明所述刮涂组件通过所述齿状结构输出溶液铺展成膜，能够产生强剪切流，制备出光电性能良好的半导体薄膜；同时可以连续制备大面积薄膜，适用于柔性和曲面基底，并且材料利用率高，能够有效减少薄膜制备过程中对溶液的浪费。
附图说明
图1为本发明所述刮涂组件的立体图；
图2为本发明所述刮涂组件的爆炸图；
图3为本发明一实施例的刮涂组件爆炸图；
图4为本发明另一实施例的刮涂组件爆炸图；
图5为本发明所述刮涂组件的剖视立体图；
图6为本发明中所述刮片的主视图及齿状结构的放大示意图；
图7为本发明又一实施例的刮涂组件爆炸图；
图8为本发明所述刮涂设备的示意图；
图9为实施例1中制备的PEDOT：PSS薄膜的光学形貌图；
图10为实施例1中PEDOT：PSS薄膜的原子力显微镜形貌图；
图11为实施例2中所用PTQ10给体和Y6-BO受体分子式示意图；
图12为实施例2中刮涂设备和旋涂法制备有机太阳能电池器件的电流密度-电压关系曲线；
图13为实施例2中PTQ10：Y6-BO薄膜的原子力显微镜形貌图；
图14为实施例2中PTQ10：Y6-BO薄膜的透射电子显微镜形貌图；
图15为实施例2中PTQ10：Y6-BO薄膜掠入射广角X射线散射的二维图和一维轮廓图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构必须具有特定的方位或必须以特定的方位来构造，不能理解为对本发明的限制。
另外，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”与“所述”可泛指单一个或复数个。若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
在现有的刮涂法制备柔性光电薄膜的工艺中，应用具有微结构的刮片能够增强流场剪切率，从而有助于提高共轭有机材料结晶度，改善薄膜光电性能。但是已报导的微结构刮片都是通过光刻加工的方法在硅基材料上制备，制作复杂、成本高昂，并且由于硅的脆性，微结构在实验过程中容易损坏。同时由于刮涂过程中刀头与基板之间非直接接触，由于溶液的厚度决定了刮涂过程中流场剪切率不够高，所得到的柔性光电薄膜光电效率也不高。
本发明提出了一种刮涂组件及刮涂设备，具体地，如图1所示，所述刮涂组件1000包括第一盖板1100，第二盖板1200以及设置在所述第一盖板1100和所述第二盖板1200之间的刷头1300，所述刷头1300的一端具有齿状结构1323，所述齿状结构1323从所述刮涂组件1000的下方伸出。如图2所示，所述第一盖板1100与所述第二盖板1200为形状相同的薄板结构，首先将所述刷头1300与所述第一盖板1100可拆卸连接，再将所述第二盖板1200与所述第一盖板1100可拆卸连接，从而实现利用所述第一盖板1100和所述第二盖板1200夹持所述刷头1300，从而组成所述刮涂组件1000，且所述刷头1300的所述齿状结构1323从所述第一盖板1100和所述第二盖板1200之间伸出。这样所述刮涂组件1000即可通过所述齿状结构1323输出溶液，并且所述刮涂组件1000通过所述齿状结构1323与待涂膜的物体(例如基板)表面接触，通过所述刮涂组件1000与所述基板之间的相对移动，实现刮涂成膜。通过所述齿状结构1323，本发明所述刮涂组件1000在刮涂成膜过程中能够使剪切率显著增强，且其均匀结构有利于建立流体力学模型，工艺条件重复性好。通过对所述刮涂组件1000的连续供液，本发明可以以以直接接触基板的形式刮涂薄膜，所制备薄膜形貌均匀可控，器件性能与旋涂法制备的器件相当，且适用于柔性和曲面基板，为印刷法制造高性能柔性电子器件提供新的工艺方法和研究思路，同时材料利用率高，能够有效减少薄膜制备过程中对溶液的浪费。
进一步地，所述齿状结构1323为排列均匀的齿状结构，且其中的齿状结构为梳齿装，负责与基板接触输出溶液并铺展成膜的一端为尖端，以减小所述齿状结构与所述基板的接触面积，保证了对溶液的利用率，能够有效减少薄膜制备过程中对溶液的浪费。如图6所示，所述齿状结构1323为微米级的微结构，其中单个齿的宽度为5-500μm，长度为0.03-5mm，而各个齿之间的间隔均匀，为5-500μm。优选地，所述齿状结构1323中的单个齿的宽度为200μm，长度为1.7mm，且各个齿之间的间隔为200μm。通过规则排列的齿状结构，所述刮涂组件1000不仅具有硅基微结构刮片的和柔性多孔刮片(如滤纸)刮涂的优势，能够使剪切率显著增强，且其均匀结构有利于建立流体力学模型，工艺条件重复性好。可选地，所述齿状结构采用柔性塑料材料制成，所述柔性塑料材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯等，材料成本低且耐用度高，可以反复使用，且其特征结构不会因使用次数增加发生明显变化。可选地，所述齿状结构通过激光切割、机械切割及刻蚀等技术制备而成，成本低，制备简单。
可选地，所述第一盖板1100和所述第二盖板1200为不锈钢板，所述刷头1300中所述齿状结构1323以外的部分采用耐腐蚀的特氟龙薄板制成。
本发明所述刮涂组件1000通过所述齿状结构1323，以接触式刮涂的方式，可以产生强剪切流，制备出光电性能良好的半导体薄膜，其均匀结构有利于建立流体力学模型，工艺条件重复性好，便于大规模生产中得到性能更好的薄膜；同时，通过所述齿状结构1323引导溶液，从而保证所述溶液基本能够全覆盖于基板上，对于材料的利用率接近100％(实验室标准制膜工艺——旋涂的材料利用率小于15％)，极大程度减小了对刮涂溶液的浪费。
以下结合具体实施例对本发明所述刮涂组件做进一步阐述。
在本发明一实施例中，所述刮涂组件1000包括第一盖板1100，第二盖板1200以及设置在所述第一盖板1100和所述第二盖板1200之间的刷头1300，所述刷头1300的一端具有齿状结构1323，所述齿状结构1323从所述刮涂组件1000的下方伸出。进一步地，所述刷头1300为分体式设计，如图3所示，所述刷头1300包括垫片1310和刮片1320，其中当所述第一盖板1100与所述第二盖板1200可拆卸连接时，所述垫片1310夹持在所述第一盖板1100与所述第二盖板1200之间，以实现所述刷头1300夹持在所述第一盖板1100和所述第二盖板1200之间；所述刮片1320的第一端1321与所述垫片1310可拆卸连接，以实现所述刮片1320与所述垫片1310组装形成所述刷头1300；所述刮片1320的第二端1322设有所述齿状结构1323，当所述刷头1300夹持在所述第一盖板1100和所述第二盖板1200之间时，所述第二端1322的所述齿状结构1323从所述第一盖板1100和所述第二盖板1200的下方伸出。通过分体式设计，所述刷头1300可以进一步拆分为两个部件，而且组装拆卸均十分简单，从而可以通过工业化生产实现所述刮涂组件1000的普及，设备成本较低，进一步降低了薄膜制备成本。
进一步地，如图3和图5所示，在所述垫片1310上朝向所述齿状结构1323的一端设有容纳槽1311，所述容纳槽1311为从所述第一盖板1100朝向所述第二盖板1200开通的容纳槽；在所述垫片1310远离所述齿状结构1323的另一端设有溶液通道1312，与所述容纳槽1311连通。当所述刷头1300夹持在所述第一盖板1100和所述第二盖板1200之间时，所述垫片1310夹持在所述第一盖板1100和所述第二盖板1200之间，此时所述第一盖板1100和所述第二盖板1200将所述容纳槽1311封闭形成一容纳空间，从而可以通过所述溶液通道1312向所述容纳槽1311注入溶液并存储所述溶液，从而保证所述溶液只能从与所述垫片1310可拆卸连接的所述刮片1320处输出，避免所述溶液从所述刮涂组件1000的其他位置输出造成浪费。可选地，所述溶液通道1312为半封闭通道，当所述第一盖板1100与所述第二盖板1200将所述垫片1310夹持在所述第一盖板1100和所述第二盖板1200之间时，所述第一盖板1100辅助封闭所述溶液通道1312，从而可以降低加工难度，减少加工成本。
进一步地，如图3所示，所述刮片1320的所述第一端1321与所述容纳槽1311的形状适配，且所述第一端1321的厚度小于所述容纳槽1311的深度，即所述刮片1320的厚度小于所述垫片1310的厚度，以实现将所述第一端1321卡持在所述容纳槽1311中。这样储存在所述容纳槽1311中的溶液在所述第一端1321的引导下沿所述刮片1320流向所述刮片1320的所述第二端1322，并从所述第二端1322上的所述齿状结构1323处输出，通过所述刮涂组件1000与基板的相对移动，实现所述齿状结构1323引导所述溶液在所述基板上铺展成膜，既可以实现对溶液的引导，减少溶液的浪费，又可以实现与所述基板的接触式微结构刮涂，产生强剪切流，制备出光电性能良好的半导体薄膜。
可选地，所述第一盖板1100和所述第二盖板1200为不锈钢板，所述垫片1310采用耐腐蚀的特氟龙薄板制成，通过不锈钢板和特氟龙薄板实现对所述刮片1320的密封包围，使所述刮涂组件1000内的溶液只能沿所述刮片1320从所述齿状结构1323处输出；所述刮片1320和所述齿状结构1323为柔性耐腐蚀塑料薄片加工而成，所述柔性耐腐蚀塑料包括对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯。具体地，所述齿状结构1323通过机械切割、刻蚀技术(包括等离子刻蚀、光刻蚀、电子刻蚀等)加工而成。所述齿状结构1323由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯等耐腐蚀塑料制成，其特征结构不会因使用次数增加发生明显变化，成本极低，耐用度高，有利于连续制备大面积薄膜，从而实现大规模生产。
可选地，所述第一盖板1100、所述第二盖板1200和所述刷头1300通过固定螺栓与螺母实现可拆卸连接。具体地，如图4所示，在所述第一盖板1100、所述第二盖板1200和所述垫片1310的对应位置上设有通孔，固定螺栓依次穿过所述第一盖板1100、所述垫片1310和所述第二盖板1200上的通孔后与螺母配合实现所述第一盖板1100、所述刷头1300以及所述第二盖板1200的固定连接，从而组装得到所述刮涂组件1000。进一步地，在本实施例的另一种实施方式中，如图4所示，在所述刮片1320的所述第一端1321上延伸形成连接部1324，所述连接部1324上对应所述垫片1310上通孔的位置也设有通孔，通过固定螺栓和螺母实现所述刮片1320和所述垫片1310的可拆卸连接以组装形成所述刷头1300，同时保证所述刮片1320的所述第一端1321位于所述容纳槽1311内，引导所述容纳槽1311内的溶液从所述齿状结构1323输出并铺展成膜。
可替换地，所述第一盖板1100、所述第二盖板1200和所述刷头1300可以通过其他方式实现可拆卸连接，例如通过胶水粘合，通过卡扣扣合等，通过固定螺栓与螺母实现所述第一盖板1100、所述第二盖板1200和所述刷头1300的可拆卸连接仅作为举例而并不是对连接方式的限定。同理，所述垫片1310与所述刮片1320也可以通过其他方式实现可拆卸连接，在此不再赘述。
在本发明的另一实施例中，所述刮涂组件1000包括第一盖板1100，第二盖板1200以及设置在所述第一盖板1100和所述第二盖板1200之间的刷头1300，所述刷头1300的一端具有齿状结构1323，所述齿状结构1323从所述刮涂组件1000的下方伸出。进一步地，如图7所示，所述刷头1300为一体式设计，且在所述第一盖板1100上设有与所述刷头1300的形状相适配的容纳槽1311，以实现所述第一盖板1100与所述第二盖板1200可拆卸连接时将所述容纳槽1311封闭形成一容纳空间，且将所述刷头1300卡持在所述容纳槽1311内的所述容纳空间中。这样存储在所述容纳槽1311内的溶液只能通过所述刷头1300输出，可以有效减少薄膜制备过程中对溶液的浪费，对所述溶液的利用率高。
进一步地，如图7所示，所述第一盖板1100远离所述刷头1300的所述齿状结构1323的一端开设有溶液通道1312，且所述溶液通道1312与所述容纳槽1311连通，在所述刮涂组件1000使用过程中，通过所述溶液通道1312即可对所述容纳槽1311连续提供溶液，从而保证溶液通过所述齿状结构1323连续不断地输出并铺展成膜，可以实现连续、大通量的刮涂，并可实现薄膜厚度的调控，有利于所述刮涂组件1000在工业生产中的应用。
本发明还提供了一种刮涂设备，如图8所示，所述刮涂设备包括基板3000，供液装置2000和如上所述的刮涂组件1000。其中所述供液装置2000与所述刮涂组件1000通过输液管2100相连，以向所述刮涂组件1000供给溶液。可选地，所述输液管2100的一端与所述供液装置2000相连，所述输液管2100的另一端设有针头，通过所述针头插入所述刮涂组件1000上的溶液通道1312从而向所述刮涂组件1000内的容纳槽1311输入溶液。所述刮涂组件1000的齿状结构1323与所述基板3000接触，刮涂过程中所述基板3000与所述刮涂组件1000产生相对移动，从而实现所述齿状结构1323在所述基板3000表面移动，并输出溶液铺展形成液膜3100，通过改变所述齿状结构1323的尺寸和所述基板3000的移动路径，可以实现薄膜的图案化打印。
通过设置不同的所述供液装置2000可以实现对所述刮涂组件1000的主动供液和被动供液。在一种实施方式中，所述供液装置2000为主动供液模式，所述供液装置2000包括注射泵和注射器，所述注射器通过输液管与所述刮涂组件1000相连。在所述注射泵的推动下，所述注射器内存储的液体通过所述输液管流入所述刮涂组件，实现溶液供给并对刮涂过程中液体流量进行控制。在另一种实施方式中，所述供液装置2000为被动供液模式，所述供液装置2000为一端开槽的墨囊，所述刮涂组件1000插入槽口与所述墨囊连接，以允许所述墨囊中的溶液进入所述刮涂组件，通过刮涂过程的拖曳作用实现连续溶液供给。
当需要使用如图8所示的所述刮涂设备时，首先组装所述刮涂组件1000，并将所述刮涂组件1000通过所述输液管2100与所述供液装置2000相连；然后将溶液转移至所述供液装置2000中，并设定所述供液装置2000处于主动供液模式还是被动供液模式；之后将所述基板3000放置在移动平台上，并通过调整所述基板3000的位置保证所述刮涂组件1000的所述齿状结构1323与所述基板3000接触良好；最后通过推动注射泵或挤压储液墨囊使所述供液装置2000，所述刮涂组件1000以及所述基板3000间形成连续的液体供给，设置好所述移动平台的移动速度和移动路径，使得所述齿状结构1323与所述基板3000相对移动并持续输出溶液并铺展形成液膜3100，所述移动平台按既定路线运动并完成薄膜的制备。可选地，通过溶液浓度和所需薄膜厚度对所述移动速度进行设定，所述移动速度(即刮涂速度)的调节范围为0.1-1000mm/s。这样所述供液装置2000提供的溶液基本能够全覆盖于基片上，对于材料的利用率接近100％，极大程度减小了对刮涂溶液的浪费；同时所述齿状结构1323在刮涂过程中能够形成强剪切流，其均匀结构有利于建立流体力学模型，工艺条件重复性好，能够在大规模生产中得到性能更好的薄膜。
下面通过具体的有机光电薄膜制备实施例，对本发明所提供的刮涂设备的性能做进一步的解释说明。
实施例1
利用所述刮涂组件1000在清洗干净的氧化铟锡(ITO)导电玻璃基板(方块电阻为15Ω/cm2)上制备有机光电薄膜，所述ITO玻璃基板依次被洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗15分钟，然后在80℃中烘干1小时，使用前通过Plasma清洗仪对表面进行时长为1分钟的亲水处理。PEDOT：PSS溶液由原溶液：异丙醇＝1：2的比例稀释而成，PEDOT：PSS原溶液来自Ossila公司，型号为Clevios 4083。将刮涂设备按照主动供液模式装配，将配制好的PEDOT：PSS溶液注入注射器中，注射泵流量设置为20μL/min，所述基板的移动速度设置为1mm/s，所述基板的温度为室温，溶液在基板移动造成的剪切力作用下铺展成膜。通过旋涂法制备薄膜作为对照组，其中旋涂溶液为PEDOT：PSS原溶液，旋涂转速为3000rpm，旋涂时间30s。旋涂和刷涂薄膜厚度均为30-40nm，薄膜制备结束后将基板放置于温度为150℃的热板上退火10min，以除去PEDOT：PSS薄膜中残留的水。
通过白光干涉仪、原子力显微镜对薄膜表面形貌及粗糙度进行表征。如图9所示为白光干涉仪得到PEDOT：PSS薄膜的光学形貌，其中标注“Spin coating”为旋涂薄膜的光学形貌，标注“FMCP”(Flexible-Micro-Comb-Printing)的为刮涂薄膜的光学形貌。如图9所示，旋涂法制备的薄膜和本发明所述刮涂设备制备的薄膜的光学形貌均体现了均一的颜色，表明二者的厚度分布均匀，形貌良好。如图10所示为原子力显微镜扫描得到的PEDOT：PSS薄膜的高度图，其中标注“Spin coating”为旋涂薄膜的高度图，标注“FMCP”的为刮涂薄膜的高度图。如图10所示，在5μm×5μm的范围内，本发明所述刮涂设备制备的薄膜粗糙度仅为1.51nm，比对照组中旋涂法制备的PEDOT：PSS薄膜(2.00nm)更光滑。
实施例2
将基板采取与实施例1中相同的清洗及亲水处理，在所述基板上制备PTQ10：Y6-BO有机太阳能电池器件，其中活性层所用溶液由电子给体材料(PTQ10)和电子受体材料(Y6-BO)按照质量比1:1.2的比例溶于溶剂中搅拌过夜，浓度为11mg/ml，其中PTQ10给体分子式和Y6-BO受体分子式如图11所示。首先利用本发明所述刮涂设备制备PTQ10：Y6-BO有机太阳能电池器件，其中刮涂活性层所用溶剂由氯仿和邻二甲苯按体积比1:1的比例混合而成，刮涂基板加热温度为70℃，刮涂速度为25mm/s，得到薄膜厚度约110nm；然后利用旋涂法制备PTQ10：Y6-BO有机太阳能电池器件作为对照组，亲水处理后在ITO玻璃表面利用旋涂法制备一层PEDOT：PSS薄膜，旋涂转速为3000rpm，旋涂时间30s，旋涂结束后，将基片放置于150℃的加热板上退火10min，旋涂活性层所用溶剂为氯仿，溶液浓度为12.5mg/ml，旋涂活性层转速为1500转/分钟，旋涂时间30s，厚度约110nm。两种方法的活性层制备结束后需在100℃的加热班上退火10min，然后转移至手套箱中旋涂一层10nm厚的PDINO层，该层溶剂为乙醇，浓度为1mg/ml，旋涂转速为3000rpm，旋涂时间30s。旋涂结束后将基片转移至蒸镀腔中，在真空度约10-5Pa的条件下蒸镀一层100nm厚的银电极。至此，器件制备完成，器件结构为：ITO/PEDOT:PSS(35nm)/PTQ10：Y6-BO(110nm)/PDINO(10nm)/银(100nm)。
分别用两种方法制备好的器件有效面积均为0.0425cm2，在太阳光模拟器光照下进行器件电流密度-电压曲线测试(AM 1.5G，100mW/cm2)，测试源表为Keithley2400，测试过程在手套箱中进行，测试结果如表1所示。
表1器件性能参数总结表
如图12所示为测试J-V曲线，标注“Spin coating”为旋涂法制备的器件数据，标注“FMCP”的为本发明所述刮涂设备制备的器件数据。通过原子力显微镜对旋涂法制备的活性层薄膜和本发明所述刮涂设备制备的活性层薄膜分别进行形貌表征及均方根粗糙度测量，测试结果如图13所示，其中(a)图为旋涂法制备的活性层薄膜结果，(b)图为本发明所述刮涂设备制备的活性层薄膜结果。通过透射电子显微镜对旋涂法制备的活性层薄膜的给受体相分离程度，以及本发明所述刮涂设备制备的活性层薄膜的给受体相分离程度进行表征，测试结果如图14所示，其中(a)图为旋涂法制备的活性层薄膜结果，(b)图为本发明所述刮涂设备制备的活性层薄膜结果。通过掠入射广角X射线散射对旋涂法制备的活性层薄膜的结晶程度及分子取向，以及本发明所述刮涂设备制备的活性层薄膜的结晶程度及分子取向进行表征，测试结果如图15所示，其中(a)图为旋涂法制备的活性层薄膜结果，(b)图为本发明所述刮涂设备制备的活性层薄膜结果，(c)图为旋涂法制备的活性层薄膜结果和本发明所述刮涂设备制备的活性层薄膜的一维线轮廓图，其中标注“Spin coating”为旋涂法制备的器件数据，标注“FMCP”的为本发明所述刮涂设备制备的器件数据。
实施例2对比了本发明所述刮涂设备所制备的PTQ10：Y6-BO薄膜和标准旋涂工艺制备的薄膜在光电性能方面的差异。本发明所述刮涂设备制备有机太阳能电池器件的填充因子相较于旋涂法制备的电池器件有明显提高，因此刮涂器件的功率转换效率有明显提升，表明本发明制备的PTQ10：Y6-BO薄膜具有更优越的光电性能。原子力显微镜的表征结果表明旋涂和刮涂薄膜具有程度接近的表面粗糙度；透射电子显微镜结果表明刮涂制备的薄膜较旋涂制备的薄膜具有更小的域尺寸，有利于器件中激子在给受体界面处的充分解离；掠入射广角X射线散射测试结果表明本发明刮涂得到的薄膜比旋涂薄膜晶粒尺寸更大，结晶性更好，刮涂和旋涂薄膜都具有显著的面向上取向。
综上所述，本发明提供了一种刮涂组件及刮涂设备，包括：第一盖板；刷头，所述刷头与所述第一盖板可拆卸连接，且所述刷头的一端设有齿状结构；以及第二盖板，所述第二盖板与所述第一盖板可拆卸连接，并将所述刷头夹持在所述第一盖板和所述第二盖板之间，使所述齿状结构从所述第一盖板和所述第二盖板之间伸出，所述刮涂组件通过所述齿状结构输出溶液铺展成膜。本发明所述刮涂组件通过所述齿状结构输出溶液铺展成膜，能够产生强剪切流，制备出光电性能良好的半导体薄膜；同时可以连续制备大面积薄膜，适用于柔性和曲面基底，并且材料利用率高，能够有效减少薄膜制备过程中对溶液的浪费。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种刮涂组件，其特征在于，包括：
第一盖板；
刷头，所述刷头与所述第一盖板可拆卸连接，且所述刷头的一端设有齿状结构；以及
第二盖板，所述第二盖板与所述第一盖板可拆卸连接，并将所述刷头夹持在所述第一盖板和所述第二盖板之间，使所述齿状结构从所述第一盖板和所述第二盖板之间伸出，所述刮涂组件通过所述齿状结构输出溶液铺展成膜。
2.根据权利要求1所述的刮涂组件，其特征在于，所述齿状结构为均匀排列的齿状结构，其中所述齿状结构的间隙为5-500μm，所述齿状结构中单个齿的宽度为5-500μm，长度为0.03-5mm。
3.根据权利要求2所述的刮涂组件，其特征在于，所述齿状结构由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚碳酸酯中的一种加工而成。
4.根据权利要求1所述的刮涂组件，其特征在于，所述刷头为分体式设计，包括可拆卸连接的垫片和刮片，其中所述垫片与所述第一盖板可拆卸连接，夹持在所述第一盖板和所述第二盖板之间；所述刮片的第一端与所述垫片可拆卸连接，所述刮片的第二端设有所述齿状结构并从所述第一盖板与所述第二盖板之间伸出。
5.根据权利要求4所述的刮涂组件，其特征在于，所述垫片的一端设有容纳槽，所述垫片的另一端设有溶液通道与所述容纳槽连通，所述第一盖板与所述第二盖板夹持所述垫片时封闭所述容纳槽，以通过所述溶液通道向所述容纳槽注入溶液并存储。
6.根据权利要求5所述的刮涂组件，其特征在于，所述刮片的所述第一端与所述垫片的所述容纳槽的形状适配，且所述第一端的厚度小于所述容纳槽的深度，以实现将所述第一端卡持在所述容纳槽中，并将所述容纳槽中存储的溶液通过所述刮片的所述第二端输出铺展成膜。
7.根据权利要求1所述的刮涂组件，其特征在于，所述刷头为一体式设计，且在所述第一盖板上设有与所述刷头形状适配的容纳槽，以实现所述第一盖板与所述第二盖板可拆卸连接时将所述刷头夹持在所述第一盖板与所述第二盖板之间。
8.根据权利要求7所述的刮涂组件，其特征在于，所述第一盖板的一端设有溶液通道与所述容纳槽连通，所述第一盖板与所述第二盖板夹持所述刷头时封闭所述容纳槽，以通过所述溶液通道向所述容纳槽注入溶液并通过所述刷头的所述齿状结构输出溶液铺展成膜。
9.根据权利要求1所述的刮涂组件，其特征在于，所述第一盖板与所述第二盖板的对应位置设有通孔，通过固定螺栓和螺母实现所述第一盖板与所述第二盖板的可拆卸连接，并将所述刷头夹持在所述第一盖板与所述第二盖板之间。
10.一种刮涂设备，其特征在于，包括基板、供液装置以及如权利要求1-9任一项所述的刮涂组件，其中所述供液装置与所述刮涂组件相连以供给溶液，所述刮涂组件的齿状结构与所述基板接触，刮涂过程中所述基板与所述刮涂组件产生相对移动，所述刮涂组件通过所述齿状结构在所述基板表面输出溶液铺展成膜。
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