CN208955021U - 钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备及钙钛矿电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备，包括涂布模头、模头升降台、后处理装置、涂布平台以及传送装置，待涂布的基底被涂布模头涂布后被传送装置输送到后处理装置进行后处理，在传送装置的驱动下，模头升降台与涂布平台之间相对移动；涂布模头通过导管与带有混合腔的注射泵接通，注射泵与至少两个原料瓶接通，一个原料瓶中装有钙钛矿溶液，另一个原料瓶中装有表面活性剂溶液，注射泵分别同时抽吸钙钛矿溶液和表面活性剂溶液注入到混合腔中混合，混合溶液被输送给涂布模头使用。本实用新型还公开使用该涂布设备制备钙钛矿电池。本实用新型提高涂膜的覆盖率和涂膜表面的平整度，得到膜厚分布更加均匀的钙钛矿薄膜。

Description

钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备及钙钛矿电池

技术领域

本实用新型属于钙钛矿太阳能电池制备技术领域，特别涉及一种钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备及钙钛矿电池。

背景技术

目前大面积制备钙钛矿太阳能电池的主要有喷涂法、刮涂法、狭缝式涂布、油墨印刷法和喷墨打印法等等。狭缝式涂布（Slot Die Coating）是工业化大面积制备钙钛矿太阳能电池的最为简便的方法之一，具有制备工艺周期短、原料节省、工艺操作简单等优点。但传统的狭缝式涂布制备钙钛矿太阳能电池具有存在较多的孔洞和薄膜膜厚严重不均等缺陷，严重制约着狭缝式涂布用于钙钛矿电池的大面积制备和商业化应用。

在公开号为CN107739611A、专利名称为一种快速简单制备室温CsPbX3钙钛矿量子点的方法的中国专利中，虽然公开了采用油酸油胺作为钙钛矿前驱体溶液的表面活性剂制备钙钛矿量子点的方法，且有利于将钙钛矿溶液内各组分的溶解，并乳化甲苯在乙醇溶剂中，可是该种技术并不适用于钙钛矿前驱体溶液的成膜过程。

如图1所示，是现有的钙钛矿溶液涂布后的电池各层截面的示意图，其中，101是基底，在导电层101上制备了亲油性的电子/空穴传输层102-2，亲油性的电子/空穴传输层102-2采用如聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]（PTAA）、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)（P3HT）中任意一项原料制成。106是钙钛矿溶液的涂布层。正常涂布情况下，钙钛矿溶液是亲水性，对亲油性的电子/空穴传输层难以浸润，无法铺平电子/空穴传输层表面，钙钛矿溶液涂布后容易产生很多缩口。若在较高的制备温度下，例如：100-180℃，就很容易产生很多的针孔，不仅严重影响钙钛矿电池的质量，而且也降低钙钛矿电池的转换效率。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备及钙钛矿电池，提高涂膜的覆盖率和涂膜表面的平整度，得到膜厚分布更加均匀的钙钛矿薄膜。

本实用新型是这样实现的，提供一种钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备，包括涂布模头、模头升降台、后处理装置、涂布平台以及传送装置，所述涂布模头设置在模头升降台上，所述涂布模头以及后处理装置相互分开且分别设置在涂布平台的上方，放置在涂布平台上的待涂布的基底被涂布模头涂布后被传送装置输送到后处理装置处进行后处理，在所述传送装置的驱动下，所述模头升降台与涂布平台之间产生相对移动，所述模头升降台调节涂布模头与待涂布的基底之间的高度；所述涂布模头通过导管与带有混合腔的注射泵接通，所述注射泵的混合腔通过管路与至少两个原料瓶分别接通，其中至少一个原料瓶中盛装有钙钛矿溶液，至少另一个原料瓶中盛装有表面活性剂溶液，所述注射泵按设定的体积比分别同时抽吸钙钛矿溶液和表面活性剂溶液注入到混合腔中混合，混合后的混合溶液通过导管被输送给涂布模头使用。

本实用新型是这样实现的，提供一种钙钛矿太阳能电池，包括钙钛矿薄膜层，所述钙钛矿薄膜层采用如前所述的钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备来制备的。

与现有技术相比，本实用新型的钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备及钙钛矿电池，在狭缝式涂布钙钛矿溶液中添加表面活性剂，有利于减少钙钛矿溶液与基底的传输层表面浸润不好造成的缩孔、溶液挥发过快造成的针孔、涂布溶液分布不均造成的薄膜厚度严重不均等缺陷；提高涂膜的覆盖率和涂膜表面的平整度，得到膜厚分布更加均匀的钙钛矿薄膜层，从而提高钙钛矿太阳能电池的效率。本实用新型的涂布设备及其方法不仅应用于钙钛矿太阳能电池技术领域，还广泛地应用于有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池和量子点太阳能电池技术领域。

附图说明

图1为现有技术的钙钛矿薄膜层涂布后的截面示意图；

图2为常用的钙钛矿太阳能电池的截面结构示意图；

图3为本实用新型的钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备的一较佳实施例的立体示意图；

图4为图3中混合腔立体示意图；

图5为采用现有技术方法制备钙钛矿薄膜层的形貌示意图；

图6为钙钛矿与表面活性剂的混合溶液制成的钙钛矿薄膜层涂布后的截面示意图；

图7为采用本实用新型的钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备制备钙钛矿薄膜层的形貌示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型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，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参照图2所示，是常用的钙钛矿太阳能电池的截面结构示意图。在基底上依次制备了导电层101、电子/空穴传输层102、钙钛矿薄膜层103、空穴/电子传输层104、背电极层105，其中最关键的是钙钛矿薄膜层103的制备。

本实用新型首先公开一种制备钙钛矿薄膜层103的涂布设备，该涂布设备用于在电子/空穴传输层102上涂布含有表面活性剂的钙钛矿溶液以制成钙钛矿薄膜层103。

请同时参照图3和图4所示，本实用新型钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备的较佳实施例，包括涂布模头201、模头升降台202、后处理装置205、涂布平台206以及传送装置207。

所述涂布模头201设置在模头升降台202上，所述模头升降台202设置在涂布平台206两侧。待涂布的基底208放置在涂布平台206上。所述涂布模头201以及后处理装置205相互分开且分别设置在涂布平台206的上方。待涂布的基底208被涂布模头201涂布后被传送装置207输送到后处理装置205处进行后处理。

在所述传送装置207的驱动下，所述模头升降台202与涂布平台206之间产生相对移动，便于涂布模头201对放置在涂布平台206上的待涂布的基底208表面进行涂布。所述模头升降台202调节涂布模头201与待涂布的基底208之间的高度。所述涂布模头201通过导管203与带有混合腔211的注射泵204接通，所述注射泵204的混合腔211通过管路212和215与至少两个原料瓶分别接通，其中至少一个原料瓶209中盛装有钙钛矿溶液，至少另一个原料瓶210中盛装有表面活性剂溶液，所述注射泵204按设定的体积比1~1000分别同时抽吸装有钙钛矿溶液原料瓶中的钙钛矿溶液和装有表面活性剂溶液原料瓶中的表面活性剂溶液注入到注射泵204的混合腔211中混合，混合后的混合溶液通过导管被输送给涂布模头201使用。

所述模头升降台202、涂布平台206与传送装置207之间有两种装配联接关系。第一种装配联接关系是：所述传送装置207带动涂布平台206移动，所述涂布模头201和模头升降台202保持静止，所述模头升降台202与涂布平台206之间产生相对移动。第二种装配联接关系是：所述传送装置207带动涂布模头201和模头升降台202的移动，所述涂布平台206保持静止，所述模头升降台202与涂布平台206之间产生相对移动。

在所述模头升降台202上还设置有在涂布模头201涂布结束后的0-60s时间内对基底208表面刚被涂覆的湿膜进行成膜处理的成膜装置（图中未示出）。所述成膜装置包括加热器以及吹风机或抽风机，或者加热器以及真空泵。成膜装置成膜装置成膜装置

具体地，所述后处理装置包括加热器、真空泵以及便于开启和闭合的密闭腔。成膜装置

具体地，在所述混合腔211内还设置有搅拌装置或超声震荡装置。请参考图4所示，所述混合腔211分别与装有钙钛矿溶液的原料瓶209和装有表面活性剂溶液的原料瓶210分别通过管路212和215连通，注射泵204按体积比1~1000分别抽取钙钛矿溶液和表面活性剂溶液注入混合腔111中。通过搅拌装置213将混合腔211内的溶液214混合均匀。混合溶液214很快地通过导管203输送到模头201进行涂布。

在钙钛矿溶液与一定量的表面活性剂溶液混合后，改善涂布时电子/空穴传输层表面的亲水性、调整钙钛矿溶液成膜后与空气接触表面的平整度和调节钙钛矿溶液中的溶剂的挥发速度，从而降低涂布时造成的缩孔、针孔和膜厚不均等缺陷。制备成完整的太阳能电池后，还可以钝化钙钛矿层与传输层间的界面缺陷和钙钛矿层内部缺陷，有效提升钙钛矿太阳能电池的载流子传输性能，并抑制电子-空穴载流子对的复合，从而提高钙钛矿太阳能电池的效率。

在钙钛矿溶液与一定量的表面活性剂溶液混合后快速地进行涂布使用，该种工艺的特点在于，大部分的表面活性剂无法完全溶解于钙钛矿溶液中，可以确保大部分表面活性剂可以快速分散到钙钛矿溶液中，避免出现直接将表面活性剂加入钙钛矿溶液后因长时间放置而出现表面活性剂与钙钛矿溶液因不相容而分层的现象。另外，该种工艺方法还具有适配可用于钙钛矿成膜的表面活性剂种类广、钙钛矿制备成膜后的均匀性有很大提升、钙钛矿薄膜的缺陷更少、钙钛矿溶液可以储存更长时间等特点。

在钙钛矿溶液中添加表面活性剂溶液后得到的混合溶液，利用本实用新型的涂布设备进行狭缝式涂布过程中，表面活性剂起到对钙钛矿溶液的流平作用，减少形成的钙钛矿薄膜的膜厚不均匀、孔洞缺陷，提高制成的钙钛矿太阳能电池的效率。与现有技术相比，本实用新型并涉及表面活性剂在钙钛矿溶液中起到乳化、增溶和助悬的功能。

本实用新型还公开一种钙钛矿太阳能电池，包括钙钛矿薄膜层，所述钙钛矿薄膜层采用如前所述的钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备来制备的。

下面结合具体实施来进一步说明本实用新型的技术方案。

实施例一

请参考图5所示，采用现有技术的方法制备的钙钛矿薄膜层，钙钛矿薄膜层内有很多白色孔洞，这是由于在涂布MAPbI₃溶液时，亲水性的MAPbI₃溶液难以浸润亲油性的PTAA电子/空穴传输层表面，MAPbI₃溶液的内聚力大于与PTAA电子/空穴传输层接触部分表面的附着力，导致MAPbI₃溶液有“收缩”的趋势，从而造成很多孔洞。

实施例二

如果在钙钛矿溶液中添加表面活性剂溶液，钙钛矿溶液涂布后的截面示意图，如图6所示。在基底上依次制备导电层101和电子/空穴传输层102-2，在电子/空穴传输层102-2上涂布含有表面活性剂的钙钛矿溶液106，在钙钛矿溶液106的上下表面分别有表面活性剂107。图示中，表面活性剂107的小圆点为亲水性基团、曲线为亲油性基团。亲水性基团分布在靠近钙钛矿溶液106一侧，而亲油性基团则分布在亲油性电子/空穴传输层102-2和钙钛矿溶液106的空气侧。表面活性剂107的加入有效提高了钙钛矿溶液106对亲油性电子/空穴传输层102-2的浸润性，并且改善了与空气接触的钙钛矿溶液表面的平整度，提高钙钛矿薄膜对电子/空穴传输层102-2的覆盖率和薄膜膜厚的均匀性。

请参照图7所示，从图中可以清楚地看出，相比实施例一，除了还存在有少量的缩孔外，本实施例的钙钛矿薄膜层对亲油性的PTAA电子/空穴传输层基底的覆盖率有很大提高，其外表面更加平整光滑。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备，其特征在于，包括涂布模头、模头升降台、后处理装置、涂布平台以及传送装置，所述涂布模头设置在模头升降台上，所述涂布模头以及后处理装置相互分开且分别设置在涂布平台的上方，放置在涂布平台上的待涂布的基底被涂布模头涂布后被传送装置输送到后处理装置处进行后处理，在所述传送装置的驱动下，所述模头升降台与涂布平台之间产生相对移动，所述模头升降台调节涂布模头与待涂布的基底之间的高度；所述涂布模头通过导管与带有混合腔的注射泵接通，所述注射泵的混合腔通过管路与至少两个原料瓶分别接通，其中至少一个原料瓶中盛装有钙钛矿溶液，至少另一个原料瓶中盛装有表面活性剂溶液，所述注射泵按设定的体积比分别同时抽吸钙钛矿溶液和表面活性剂溶液注入到混合腔中混合，混合后的混合溶液通过导管被输送给涂布模头使用。

2.如权利要求1所述的钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备，其特征在于，所述传送装置带动涂布平台移动，所述涂布模头和模头升降台保持静止，所述模头升降台与涂布平台之间产生相对移动。

3.如权利要求1所述的钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备，其特征在于，所述传送装置带动涂布模头和模头升降台的移动，所述涂布平台保持静止，所述模头升降台与涂布平台之间产生相对移动。

4.如权利要求2或3所述的钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备，其特征在于，所述后处理装置包括加热器、真空泵以及便于开启和闭合的密闭腔。

5.如权利要求1所述的钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备，其特征在于，在所述混合腔内还设置有搅拌装置或超声震荡装置。

6.一种钙钛矿太阳能电池，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1至5中任意一项所述的钙钛矿与表面活性剂的混合溶液的涂布设备来制备的。