用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备论文和设计-蔡龙华

全文摘要

本实用新型公开了一种用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，其包括：工作基台，其至少用以安置并固定基片；基片转移机构，其至少用以转移基片；涂布机构，其至少用以在基片表面涂布用于形成钙钛矿薄膜的低沸点钙钛矿溶液；风干机构，其包括设置在工作基台上方的箱体以及设置在箱体内的气流发生机构，气流发生机构能够自上至下向涂布有低沸点钙钛矿溶液的基片表面吹气或自下至上将基片表面的气体抽出，从而在基片表面形成流动气流，进而使低沸点钙钛矿溶液快速干燥形成钙钛矿薄膜。本实用新型提供的用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，结构简单，对设备的精度及密封性的要求低，制备大面积钙钛矿薄膜的干燥时间短，适用于利于流水线生产。

主设计要求

1.一种用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，其特征在于包括：工作基台，其至少用以安置并固定基片；基片转移机构，其至少用以将基片输送到工作基台上，并将形成有钙钛矿薄膜的基片转移至下游工位；涂布机构，其至少用以在基片表面涂布用于形成钙钛矿薄膜的低沸点钙钛矿溶液；风干机构，其包括设置在工作基台上方的箱体以及设置在箱体内的气流发生机构，所述气流发生机构能够自上至下向所述涂布有低沸点钙钛矿溶液的基片表面吹气或自下至上将基片表面的气体抽出，从而在基片表面形成流动气流，所述流动气流能够使涂布在基片表面的低沸点钙钛矿溶液干燥形成钙钛矿薄膜。

设计方案

1.一种用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，其特征在于包括：

工作基台，其至少用以安置并固定基片；

基片转移机构，其至少用以将基片输送到工作基台上，并将形成有钙钛矿薄膜的基片转移至下游工位；

涂布机构，其至少用以在基片表面涂布用于形成钙钛矿薄膜的低沸点钙钛矿溶液；

风干机构，其包括设置在工作基台上方的箱体以及设置在箱体内的气流发生机构，所述气流发生机构能够自上至下向所述涂布有低沸点钙钛矿溶液的基片表面吹气或自下至上将基片表面的气体抽出，从而在基片表面形成流动气流，所述流动气流能够使涂布在基片表面的低沸点钙钛矿溶液干燥形成钙钛矿薄膜。

2.根据权利要求1所述的用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，其特征在于：所述箱体靠近工作基台的一端为气流出口，所述气流出口的面积大于等于基片上低沸点钙钛矿溶液的覆盖面积。

3.根据权利要求2所述的用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，其特征在于：所述基片低沸点钙钛矿溶液的覆盖面积大于等于450mm*630mm。

4.根据权利要求2所述的用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，其特征在于：所述气流出口处活动设置有一个以上的叶片，所述叶片能够以自身轴向为轴转动，进而使所述叶片打开关闭所述气流出口。

5.根据权利要求4所述的用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，其特征在于：所述气流出口处活动设置有复数个叶片，当所述叶片处于打开状态时，复数个叶片能够将所述气流出口分隔形成复数个气流通道，所述气流通道的轴向方向与竖直方向之间的夹角为大于等于0°且小于90°。

6.根据权利要求5所述的用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，其特征在于：任意两个气流通道的轴向方向相同或不同。

7.根据权利要求1所述的用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，其特征在于：所述气流发生机构包括气泵，所述气泵一次吹气或抽气的持续时间为1-5s；所述钙钛矿薄膜的成膜时间为2-5s。

8.根据权利要求1所述的用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，其特征在于：所述用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备的工作缓冲间隔时间为10-30s。

9.根据权利要求1所述的用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，其特征在于：所述工作基台上设置有基片固定机构，所述基片固定机构包括负压发生机构；所述基片转移机构包括机械手臂；所述涂布机构包括涂刀、与涂刀传动连接的驱动机构以及设置在工作基台两端的清洗槽，所述涂刀设置在工作基台的上方并能够沿设定方向往复运动。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种制备大面积钙钛矿薄膜的设备，特别涉及一种用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，属于电池制作技术领域。

背景技术

钙钛矿太阳能电池作为一个新兴的第三代太阳能电池，自2009年开始，其效率逐年递增，有效面积0.09cm^{2<\/sup>的钙钛矿电池效率已经超过23％，其原料广泛，造价低廉，制备简单等特点，吸引了众多研究人员和投资人。但是若要实现大面积生产，仍有许多难题要克服，其中的最关键的也最困难的，在于如何高效可重复性地制备大面积的钙钛矿膜层。}

目前，实验室制备钙钛矿膜层的成熟方法是使用匀胶机进行旋涂，可重复性和可控性强，能保证得到平整致密大晶粒的钙钛矿膜。但是普通匀胶机所能旋涂的最大尺寸一般不超过15cm*15cm，并且，随着尺寸的增加，除了需要定制特殊工艺的匀胶机，其旋涂出来的膜也受技术特点限制，无法达到全尺寸的均匀性，使得钙钛矿成膜较差，影响效率。因此对于更大面积的钙钛矿层，研究人员大部分采用了喷涂、刮涂、涂布(slot-die)等手段，其中喷涂、刮涂仍无法达到真正的大面积均匀成膜。

目前常用到的干燥工艺有：真空抽气法和反溶剂法，反溶剂法对于大面积(＞450*630mm的大面积尺寸)的电池来说，需要大量有机溶剂，对环境不友好，且所需设备容错率很低，不利于流水线生产。而目前的真空抽气法利用了高真空来对钙钛矿液膜进行快速抽气干燥，从而快速结晶以形成高质量平整的钙钛矿薄膜，工艺稳定，成膜优质，但目前所使用的方法需要2～10分钟的缓冲时间，以使得设备及真空度恢复最佳状态，才能继续得到优质钙钛矿薄膜。

现有设备结构复杂，使用要求高，膜干燥所需时间较长，由于涂布面积相当大(＞450*630mm)，液膜较多，如果要得到平整光滑钙钛矿膜，干燥时的设备要求较高，需要密封性及精度都良好的设备，或者其他专门定制的异型设备，对占地空间及批量化生产不利。且目前大部分干燥条件均需要较长的缓冲时间，以达到最佳效果，不利于连续生产。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，用于制备大面积钙钛矿薄膜，以克服现有技术的不足。

为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型实施例提供了一种用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，其包括：

工作基台，其至少用以安置并固定基片；

基片转移机构，其至少用以将基片输送到工作基台上，并将形成有钙钛矿薄膜的基片转移至下游工位；

涂布机构，其至少用以在基片表面涂布用于形成钙钛矿薄膜的低沸点钙钛矿溶液；

进一步的，所述箱体靠近工作基台的一端为气流出口，所述气流出口的面积大于等于基片上低沸点钙钛矿溶液的覆盖面积。

进一步的，所述基片低沸点钙钛矿溶液的覆盖面积大于等于450mm*630mm。

进一步的，所述气流出口处活动设置有一个以上的叶片，所述叶片能够以自身轴向为轴转动，进而使所述叶片打开关闭所述气流出口。

进一步的，所述气流出口处活动设置有复数个叶片，当所述叶片处于打开状态时，复数个叶片能够将所述气流出口分隔形成复数个气流通道，所述气流通道的轴向方向与竖直方向之间的夹角为大于等于0°且小于90°。

进一步的，任意两个气流通道的轴向方向相同或不同。

进一步的，所述气流发生机构包括气泵，所述气泵一次吹气或抽气的持续时间为1-5s；所述钙钛矿薄膜的成膜时间为2-5s。

进一步的，所述用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备的工作缓冲间隔时间为10-30s。

进一步的，所述工作基台上设置有基片固定机构，所述基片固定机构包括负压发生机构；所述基片转移机构包括机械手臂；所述涂布机构包括涂刀、与涂刀传动连接的驱动机构以及设置在工作基台两端的清洗槽，所述涂刀设置在工作基台的上方并能够沿设定方向往复运动。

与现有技术相比，本实用新型提供的用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，结构简单，操作简便，对设备的精度及密封性的要求低，设备的容错率高；以及，制备大面积钙钛矿薄膜的干燥时间短，干燥速度易于控制，适用于利于流水线生产。

附图说明

图1是本实用新型实施例1中一种用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备的结构示意图；

图2是本实用新型实施例1中一种用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备的侧视图；

图3是本实用新型实施例1中风干机构的俯视图；

图4是本实用新型实施例1中风干机构的侧视图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本实用新型实施例提供了一种用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，其包括：

工作基台，其至少用以安置并固定基片；

基片转移机构，其至少用以将基片输送到工作基台上，并将形成有钙钛矿薄膜的基片转移至下游工位；

涂布机构，其至少用以在基片表面涂布用于形成钙钛矿薄膜的低沸点钙钛矿溶液；

进一步的，所述箱体靠近工作基台的一端为气流出口，所述气流出口的面积大于等于基片上低沸点钙钛矿溶液的覆盖面积。

进一步的，所述基片低沸点钙钛矿溶液的覆盖面积大于等于450mm*630mm。

进一步的，所述气流出口处活动设置有一个以上的叶片，所述叶片能够以自身轴向为轴转动，进而使所述叶片打开关闭所述气流出口。

进一步的，任意两个气流通道的轴向方向相同或不同。

进一步的，所述气流发生机构包括气泵，所述气泵一次吹气或抽气的持续时间为1-5s；所述钙钛矿薄膜的成膜时间为2-5s。

进一步的，所述用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备的工作缓冲间隔时间为10-30s。

如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

实施例1

请参阅图1，一种用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备，其包括：

工作基台101，其内部设置有负压发生机构，能够通过在基片201与工作基台之间产生负压，进而将基片201吸附在工作基台上；基片201的材质可以是玻璃或适应薄膜等；

基片转移机构(图中为未示出)，可以是机械手臂或者是机械手臂以及与机械手臂配合使用的传动带，其至少用以将基片输送到工作基台上，并将形成有钙钛矿薄膜的基片转移至下游工位；

涂布机构，其至少用以在基片表面涂布用于形成钙钛矿薄膜的低沸点钙钛矿溶液；其包括设置在基片201上方的涂刀301、与涂刀传动连接的驱动机构(例如驱动电机)以及设置在工作基台101两端的清洗槽501、601，在清洗槽501、601内容置有与低沸点钙钛矿溶液的溶剂相似的溶剂，可理解为清洗剂(其也可以采用本领域技术人员所知的能够实现其作用的其他溶剂)，用于浸泡涂刀301，防止钙钛矿溶液在刀唇上干燥堵塞涂刀301；

风干机构，其包括设置在工作基台101上方的箱体401以及设置在箱体401内的气泵，箱体401内部围合形成一腔体，箱体靠近工作基台101的一端为出气口，在出气口处活动设置的有复数个叶片402，复数个叶片402将所述出气口分隔形成复数个气流通道，复数个叶片402与驱动电机传动连接，叶片402能够以自身轴向为轴转动，进而打开关闭所述的出气口，当所述出气口处于打开状态时，复数个气流通道的轴向方向(即气流方向)与竖直方向之间的夹角大于等于0°且小于90°，任意两个气流通道的轴向方向相同或不同；气泵能够通过气流通道自上至下向所述涂布有低沸点钙钛矿溶液的基片表面吹气或自下至上将基片表面的气体抽出，从而在基片表面形成流动气流，进而使所述低沸点钙钛矿溶液快速干燥形成钙钛矿薄膜；其中基片201上低沸点钙钛矿溶液的覆盖面积大于等于450mm*630mm，气泵一次吹气或抽气的持续时间为1-5s，钙钛矿薄膜的干燥时间为2-5s。

具体的，一种用于快速制备大面积钙钛矿薄膜的设备的工作过程至少包括：

将低沸点钙钛矿溶液(低沸点钙钛矿溶液主要利用乙腈、甲胺、异丙醇等一些低沸点溶剂按照一定比例配置，同时加入N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、γ-丁内酯中任意一种或两种以上的高沸点溶剂作为钙钛矿的溶剂)充满涂刀301，将与低沸点钙钛矿溶液的溶剂相似的溶剂充满清洗槽501、601，涂刀301停留在浸泡槽501或者601内，刀唇浸没在溶剂中；

利用机械臂或者其他自动流水线传输转移装置将基片201移至工作基台101上，使负压发生机构将其吸附固定；

涂刀301升起准备，开始在基板201表面上方一定高度以一定速率由一端转移至另一端，并落在另一端的浸泡槽内，同时低沸点钙钛矿溶液以一定速率向外排出，从而均匀涂覆在基片201表面；

开启气泵以及叶片402，一定压强的气流瞬间从箱体401内导出，将基片201上的低沸点钙钛矿溶液吹干，1～5s后关闭；

工作基台101解除负压，由机械臂或者其他自动流水线传输转移装置将基片201移至下一步工序，同时转移第二片基片201至基台101上。

需要说明的，本实用新型中所述的设备中的其他诸如基片转移机构以及涂布机构均可以采用现有技术中的已知结构，在此不再赘述；本实用新型中风干机构的箱体与出气口相对的另一端可以是开口结构或者是设置有透风的开孔或开槽的顶板；其中采用的叶片的材质为本领域技术人员所知的材料，其形状可以是矩形片状或其他形状，其可以与驱动电机连接，并经由驱动电机驱动其转动，或者，箱体靠近工作基台的一端为底板，在底板上设置气孔或条状的槽作为出气口，在气孔或条状的槽上设置有可打开的叶片，叶片能够在水平方向转动，进而打开或关闭出气口。

本实用新型通过均匀涂布低沸点钙钛矿溶液于大面积(>630*450mm)玻璃上，由于溶液挥发太快及液体特性，若是自然干燥，会形成环状收缩痕迹，使得成膜不均，结晶性差，因此在钙钛矿溶液上方放置一个大小类似的出风装置(风干机构)，均匀出风，风力强劲，在涂布完成后即刻向下吹风，持续1～5s，使得溶剂快速均匀挥发，得到光滑透明且结晶良好的钙钛矿干膜。

应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

设计图

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