CN112349847B - 一种钙钛矿太阳电池自动化生产设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钙钛矿太阳电池制备领域，公开一种钙钛矿太阳电池自动化生产设备，该设备包括第一超声喷涂装置、第二超声喷涂装置、电场处理装置、第三超声喷涂装置、丝网印刷装置以及传送装置；其中第一超声喷涂装置、第二超声喷涂装置、电场处理装置、第三超声喷涂装置和丝网印刷装置沿传动方向依次布置于传送装置之上。本发明结合比较成熟的喷涂技术、丝网印刷技术与变化电场处理技术，组成一整套可以在刚性导电基底上生产钙钛矿太阳电池的生产流水线，真正实现了变化电场处理钙钛矿器件的产业化制备流程，做到了放入是导电玻璃片，出来是成品钙钛矿器件的无缝衔接。
Description
技术领域
本发明涉及钙钛矿太阳电池制备领域，尤其涉及一种电场处理钙钛矿太阳电池产业化的制备流程。
背景技术
最近10年，金属卤化物钙钛矿太阳电池(PSC)效率不断提高，已经接近目前产业化主流的晶硅太阳电池。然而，由于其本身有机无机杂化的特性，组成钙钛矿结构正八面体的间隙有机物，遇到高温、紫外、水氧等气氛容易发生分解，限制了其太阳电池的产业化应用。为了解决钙钛矿太阳电池稳定性问题，研究者们从内到外采用各种对器件的封装处理工艺。通过对钙钛矿吸收层的上下两层包裹，疏水性聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)进而形成夹层结构的疏水层，提高了钙钛矿吸收层的水氧耐受性。更有通过激光封装技术，对整个器件封闭式的外封装，进一步增大了其因接触外界水氧环境而降解的稳定性。通过界面工程一举两得同时增强了器件的效率与稳定性：有机大分子(Y6)用作钙钛矿器件的电子提取层来取代现有常用的非富勒烯有机小分子(PC61BM)，可以更有效地提取钙钛矿层中的电子；还可以充分地利用Y6这种小分子可以吸收近红外(700-900nm)光的特性，扩宽了器件对整个太阳光谱利用率。然而以上方法是通过外界包覆来提高其稳定性。如何提高钙钛矿层自身的稳定性成为产业界亟待解决的难题。最近，沈文忠等人通过实验设计一种变化电场对钙钛矿薄膜处理方法(专利公开号：CN110518130A)，实现了对组成钙钛矿晶粒尺寸更好的调控，提高了钙钛矿自身器件的耐高温性与器件的稳定性。另外，在国内钙钛矿太阳电池产业界，利用卷对卷工艺印刷钙钛矿薄膜实现了产业化，然而这种工艺只能在柔性基底实现，不能应用于刚性的导电玻璃的产业化处理。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何实现了在刚性导电基底上制备钙钛矿器件的自动化、产业化。
为实现上述目的，本发明提供了一种钙钛矿太阳电池自动化生产设备，所述设备包括第一超声喷涂装置，第二超声喷涂装置，电场处理装置，第三超声喷涂装置，丝网印刷装置以及传送装置；所述第一超声喷涂装置，所述第二超声喷涂装置，所述电场处理装置，所述第三超声喷涂装置，所述丝网印刷装置沿传动方向依次布置于所述传送装置之上。
进一步地，所述第一超声喷涂装置、第二超声喷涂装置、第三超声喷涂装置都包括超声喷涂控制端、物料管和喷嘴，所述喷嘴通过所述物料管连接所述超声喷涂控制端。
进一步地，所述电场处理装置包括电刷或导电探针、上电极板和电压放大器，所述电刷或导电探针通过导线连接所述电压放大器的阳极，所述上电极板通过导线连接所述电压放大器的阴极。
进一步地，所述电场处理装置还包括一光学放大镜。
进一步地，所述丝网印刷装置包括丝网印刷控制端、物料管和刮刀，所述刮刀通过所述物料管连接丝网印刷控制端。
进一步地，所述传送装置采用中空的陶瓷圆筒，所述陶瓷圆筒包括内腔体和外腔体，所述内腔体用来填充水形成水冷循环***，所述外腔体为内置加热电阻丝的陶瓷片。
进一步地，所述陶瓷圆筒两端安装伺服电机，由滚动***来控制所述伺服电机进而带动所述陶瓷圆筒的转动。
本发明还提供了一种钙钛矿太阳电池的制备方法，所述制备方法包括：
步骤1、导电玻璃层处理：
步骤1.1、将图案化涂覆ITO的玻璃基板依次在稀释的洗涤剂、去离子水、丙酮和异丙醇中超声处理；
步骤1.2、在真空烘箱中干燥经步骤一处理后的所述玻璃基板，将其用紫外-臭氧处理，然后转移到充满空气的电场处理自动化设备里；
步骤2、空穴传输层制备：
步骤2.1、将2,3,5,6-四氟-7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌掺杂聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]溶解在氯苯中，搅拌并加热以形成混合溶液；
步骤2.2、用聚四氟乙烯过滤器过滤所述混合溶液，所述混合溶液通过第一超声喷涂装置喷涂到所述玻璃基板上形成空穴传输层，随后启动陶瓷圆筒的自加热功能加热处理所述空穴传输层，进行退火处理，得到聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]/ITO基板，
步骤2.3、开启冷却循环***，冷却到室温后通过陶瓷圆筒将所述聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]/ITO基板传送到第二超声喷涂装置中；
步骤3、钙钛矿层制备：
步骤3.1、将溶解在N,N-二甲基甲酰胺/二甲基亚砜的混合无水溶剂中的碘化铅，甲基碘化胺组成钙钛矿前驱体溶液，加热搅拌所述钙钛矿前驱体溶液；
步骤3.2、用聚四氟乙烯过滤器过滤所述钙钛矿前驱体溶液，所述钙钛矿前驱体溶液通过第二超声喷涂装置喷涂在所述聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]/ITO基板上，得到钙钛矿前驱体膜；
步骤4、电子传输层制备：
步骤4.1、将所述聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]/ITO基板转移到电场处理装置处理所述钙钛矿前驱体膜，所述电场处理装置的电刷自动接触所述聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]/ITO基板，同时所述电场处理装置下的陶瓷圆筒进行加热处理；
步骤4.2、打开所述电场处理装置下的所述陶瓷滚筒中的冷却水，使电场处理过后的所述钙钛矿前驱体膜冷却到室温，所述电刷自动脱离所述聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]/ITO基板，所述聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]/ITO基板通过滚动所述陶瓷圆筒转移到第三超声喷涂装置；
步骤4.3、用聚四氟乙烯过滤器过滤富勒烯衍生物PC61BM溶液，所述富勒烯衍生物PC61BM溶液通过第三超声喷涂装置的喷嘴喷涂于所述钙钛矿前驱体膜上面，形成富勒烯衍生物PC61BM层，所述富勒烯衍生物PC61BM层为电子传输层；
步骤5、Ag电极层制备：
通过转动所述陶瓷圆筒转移所述聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]/ITO基板到丝网印刷装置下，通过丝网印刷技术，将室温速干的导电银浆料印刷在所述富勒烯衍生物PC61BM层上，得到Ag电极层。
本发明还提供了一种由上述钙钛矿太阳电池制备方法制得的钙钛矿太阳电池，所述钙钛矿太阳电池包括导电玻璃层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和Ag电极层。
本发明创造性地结合比较成熟的喷涂技术、丝网印刷技术与变化电场处理技术，组成一整套可以在刚性导电基底上生产钙钛矿太阳电池的生产流水线。本发明真正实现了变化电场处理钙钛矿器件的产业化制备流程，做到了放入是导电玻璃片，出来是成品钙钛矿器件的无缝衔接。真正实现了电场处理钙钛矿太阳电池工艺的自动化制备，同样也可以制备大面积钙钛矿器件。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的电场处理钙钛矿自动化设备示意图；
图2是实施例一中电场处理的钙钛矿器件每层结构示意图；
其中，11-刮刀，12-物料管，13-喷嘴，14-电刷开关控制端，15-空腔体，16-外腔体，17-导线，18-电刷，19-上电极板；
21-导电玻璃层，22-空穴传输层，23-钙钛矿层，24-电子传输层，25-Ag电极；
A-第一超声喷涂装置，B-第二超声喷涂装置，C-电场处理装置，D-第三超声喷涂装置，E-丝网印刷装置。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，钙钛矿太阳电池自动化生产设备包括第一超声喷涂装置A、第二超声喷涂装置B、电场处理装置C、第三超声喷涂装置D、丝网印刷装置E以及传送装置；喷涂装置A、第二超声喷涂装置B、电场处理装置C、第三超声喷涂装置D、丝网印刷装置E沿传动方向依次布置于传送装置之上。
第一超声喷涂装置A、第二超声喷涂装置B、第三超声喷涂装置D都包括超声喷涂控制端、物料管12和喷嘴13，喷嘴13通过物料管12连接超声喷涂控制端。
电场处理装置C包括电刷开关控制端14，电刷18或导电探针、上电极板19和电压放大器，电刷开关控制端14控制电刷18或导电探针，电刷18或导电探针通过导线17连接电压放大器的阳极，上电极板19通过导线17连接电压放大器的阴极。
电场处理装置C还包括一光学放大镜。
丝网印刷装置E包括丝网印刷控制端、物料管和刮刀11，刮刀11通过物料管连接丝网印刷控制端。
传送装置采用中空的陶瓷圆筒，陶瓷圆筒包括内腔体15和外腔体16，内腔体15用来填充水形成水冷循环***，外腔体16为内置加热电阻丝的陶瓷片。
陶瓷圆筒两端安装伺服电机，由滚动***来控制伺服电机进而带动陶瓷圆筒的转动。
该自动化生产设备待处理的材料不仅可以是钙钛矿MAPbI3(CH3NH3PbI3)材料，还可以是其他导电基底上的材料，比如钙钛矿/晶硅叠层电池、FAPbI3(CH(NH2)2PbI3)、CsPbI3、(FAaMAbCsc)Pb(IxBy)3(a+b+c＝1，x+y＝1)。
另外该自动化设备中的导电基底，尺寸不是唯一的，可以替换成大尺寸的导电基底，用于大面积器件的制备。
如图2所示，一种由上述钙钛矿太阳电池制备方法制得的钙钛矿太阳电池，所述钙钛矿太阳电池包括导电玻璃层21、空穴传输层22、钙钛矿层23、电子传输层24和Ag电极层25。导电玻璃层21是作为电池的阳极，空穴传输层22是用来传输空穴，钙钛矿层23是太阳光的吸收层，电子传输层24是用来传输电子，Ag电极25作为电池的阴极。
实施例一
1.将图案化涂覆ITO的玻璃基板(0.7英寸×0.7英寸，方阻≤10Ω/□，透光率≥83％)分别在稀释的洗涤剂、去离子水、丙酮和异丙醇(IPA)中超声处理保持20分钟。
2.在真空烘箱中干燥图案化涂覆ITO后，将其用紫外—臭氧(Jelight，USA)处理15分钟，然后转移到充满空气的电场处理自动化设备里。
3.空穴传输层制备，质量比为25％的2,3,5,6-四氟-7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌掺杂聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]溶解在氯苯(CB)中以形成1mg/ml混合溶液，然后在70℃下搅拌并加热。在喷涂之前，用聚四氟乙烯过滤器(0.45μm)过滤所制备的溶液，然后将混合物通过第一超声喷涂装A喷涂到图案化涂覆ITO基板上，随后启动陶瓷滚筒的自加热功能实现对空穴传输层加热处理，150℃下退10分钟。得到聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]/ITO基板。随即开启冷却循环***，冷却到室温后通过滚动圆筒将上述基板传送到第二超声喷涂装置B中。
4.钙钛矿前驱体溶液由溶解在N,N-二甲基甲酰胺/二甲基亚砜(体积比为9:1)的混合无水溶剂中的碘化铅(PbI2，1.20M)，甲基碘化胺(MAI，1M)组成。在使用前将制备的溶液在60-70℃搅拌，之后用聚(四氟乙烯)过滤器(0.45μm)过滤所制备的溶液，将该溶液以第二超声喷涂装置B喷涂在聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]/ITO基板上。随后，将具有一定湿度的钙钛矿前驱体膜转移到电场处理装置C预设定电场条件下处理，电刷自动接触导电玻璃基底，同时陶瓷圆筒进行加热处理(100℃，10分钟)。
5.电子传输层制备，将电场处理装置C里陶瓷滚筒中的冷却水打开，使电场处理过后的钙钛矿薄膜冷却到室温，电刷自动脱离导电玻璃基底，接着通过滚动陶瓷圆筒使薄膜转移到第三超声喷涂装置D中。
6.薄膜在第三超声喷涂装置D中，随后通过超声喷涂设备的刀口，将富勒烯衍生物PC61BM溶液(在CB中)喷涂在钙钛矿层的顶部。在超声喷涂之前，用聚(四氟乙烯)过滤器(0.45μm)过滤上述制备的溶液。
7.通过转动陶瓷圆筒转移片子到丝网印刷装置E，通过丝网印刷技术，将室温速干的导电银浆料印刷在富勒烯衍生物PC61BM上，制作Ag(100nm)电极。
实施例二
在实施例一的基础上，电场处理不仅可以自动化生产钙钛矿器件，还可以自动化生产具有如图2的类似结构的器件，比如有机太阳电池、钙钛矿/硅基叠层太阳电池。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (1)
1.一种钙钛矿太阳电池自动化生产设备，其特征在于，所述设备包括第一超声喷涂装置、第二超声喷涂装置、电场处理装置、第三超声喷涂装置、丝网印刷装置以及传送装置；所述第一超声喷涂装置、所述第二超声喷涂装置、所述电场处理装置、所述第三超声喷涂装置、所述丝网印刷装置沿传动方向依次布置于所述传送装置之上，所述传送装置采用中空的陶瓷圆筒，所述陶瓷圆筒包括内腔体和外腔体，所述内腔体用来填充水形成水冷循环***，所述外腔体为内置加热电阻丝的陶瓷片，所述陶瓷圆筒两端安装伺服电机,由滚动***来控制所述伺服电机进而带动所述陶瓷圆筒的转动；所述第一超声喷涂装置、第二超声喷涂装置、第三超声喷涂装置都包括超声喷涂控制端、物料管和喷嘴，所述喷嘴通过所述物料管连接所述超声喷涂控制端；所述电场处理装置包括电刷或导电探针、上电极板和电压放大器，所述电刷或导电探针通过导线连接所述电压放大器的阳极，所述上电极板通过导线连接所述电压放大器的阴极；所述电场处理装置还包括一光学放大镜；所述丝网印刷装置包括丝网印刷控制端、物料管和刮刀，所述刮刀通过所述物料管连接丝网印刷控制端；制备时，包括以下步骤：
步骤1、导电玻璃层处理:步骤1.1、将图案化涂覆ITO的玻璃基板依次在稀释的洗涤剂、去离子水、丙酮和异丙醇中超声处理；步骤1.2、在真空烘箱中干燥经步骤一处理后的所述玻璃基板，将其用紫外-臭氧处理，然后转移到充满空气的电场处理自动化设备里；
步骤2、空穴传输层制备:步骤2.1、将2,3,5,6-四氟-7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌掺杂聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]溶解在氯苯中，搅拌并加热以形成混合溶液；步骤2.2、用聚四氟乙烯过滤器过滤所述混合溶液，所述混合溶液通过第一超声喷涂装置喷涂到所述玻璃基板上形成空穴传输层，随后启动陶瓷圆筒的自加热功能加热处理所述空穴传输层，进行退火处理，得到聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]/ITO基板；步骤2.3、开启冷却循环***，冷却到室温后通过陶瓷圆筒将所述聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]/ITO基板传送到第二超声喷涂装置中；
步骤3、钙钛矿层制备:步骤3.1、将溶解在N,N-二甲基甲酰胺/二甲基亚砜的混合无水溶剂中的碘化铅，甲基碘化胺组成钙钛矿前驱体溶液，加热搅拌所述钙钛矿前驱体溶液；步骤3.2、用聚四氟乙烯过滤器过滤所述钙钛矿前驱体溶液，所述钙钛矿前驱体溶液通过第二超声喷涂装置喷涂在所述聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]/ITO基板上，得到钙钛矿前驱体膜；
步骤4、电子传输层制备:步骤4.1、将所述聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]/ITO基板转移到电场处理装置处理所述钙钛矿前驱体膜，所述电场处理装置的电刷自动接触所述聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]/ITO基板，同时所述电场处理装置下的陶瓷圆筒进行加热处理；步骤4.2、打开所述电场处理装置下的所述陶瓷圆筒中的冷却水，使电场处理过后的所述钙钛矿前驱体膜冷却到室温，所述电刷自动脱离所述聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]/ITO基板，所述聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]/ITO基板通过滚动所述陶瓷圆筒转移到第三超声喷涂装置；步骤4.3、用聚四氟乙烯过滤器过滤富勒烯衍生物PC61BM溶液，所述富勒烯衍生物PC61BM溶液通过第三超声喷涂装置的喷嘴喷涂于所述钙钛矿前驱体膜上面，形成富勒烯衍生物PC61BM层，所述富勒烯衍生物PC61BM层为电子传输层；
步骤5、Ag电极层制备:通过转动所述陶瓷圆筒转移所述聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]ITO基板到丝网印刷装置下，通过丝网印刷技术，将室温速干的导电银浆料印刷在所述富勒烯衍生物PC61BM层上，得到Ag电极层。
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