钙钛矿光伏组件光吸收层的薄膜晶化装置的制作方法

1.本实用新型属于钙钛矿太阳能电池技术领域，具体涉及一种钙钛矿光伏组件光吸收层的薄膜晶化装置。


背景技术：

2.钙钛矿太阳能电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的新型太阳能电池。过去十年，钙钛矿电池迅猛发展，其电池光电转换效率目前已达到25.5％。相比晶体硅电池，钙钛矿电池的效率上限更高，制造成本更低廉，是更具有发展前景的新一代太阳能电池。
3.钙钛矿电池的器件结构分为正式结构和反式结构。正式结构由下到上依次由导电玻璃、电子传输层、钙钛矿薄膜、空穴传输层和背电极组成。反式结构中传输层材料的位置则与正式结构相反，首先在导电玻璃上沉积空穴传输层，然后在钙钛矿薄膜上沉积电子传输层。从钙钛矿电池到大面积钙钛矿组件的产业化进程中，如何制备高质量的大面积钙钛矿薄膜是本领域的技术难题。
4.利用现有的涂布技术，如狭缝涂布、喷墨打印、刮棒涂布、喷涂等，都可以获得均匀的液膜。组成该液膜的是钙钛矿材料各组分的离子，需要经过形核和结晶的过程，从液膜转化为固态的多晶钙钛矿薄膜。形核和结晶过程的工艺控制，对能否获得晶粒尺寸大、结晶度高、覆盖度好、缺陷少、均匀、粗糙度低的大面积钙钛矿薄膜至关重要。
5.目前在钙钛矿大面积涂布工艺中，控制形核和结晶过程的工艺主要有以下几种：1)在涂布过程中吹气；2)对衬底或溶液加热；3)抽真空。以上方法的原理都是促使溶剂快速挥发，使液膜过饱和，从而达到快速形核和结晶的目的。然后通过退火使晶粒进一步长大，形成钙钛矿薄膜。
6.专利cn107812673a公开了一种连接吹气结构的涂布装置，通过与涂布结构相连的吹气结构，吹出干燥氮气或空气，来使涂布的钙钛矿膜层结晶。但是该工艺吹气结构的位置是固定的，因此不能更改吹气的工艺窗口时间，不利于不同体系涂布液的调控。
7.专利cn105702871a公开了一种抽气通气法制备钙钛矿薄膜的方法，涂布钙钛矿薄膜后，抽气降低饱和蒸气压，促进溶剂快速挥发，同时通气稀释溶剂分子，来使钙钛矿结晶成膜的工艺。该工艺涂布钙钛矿膜层后再抽气，为了快速达到所需的真空度，对真空泵的要求非常高，增加了设备成本。


技术实现要素：

8.本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的目的在于提出一种钙钛矿光伏组件光吸收层的薄膜晶化装置。该装置通过负压箱的设计，不需要大功率的真空泵也可以达到良好的低压晶化效果，从而降低了设备成本。
9.本实用新型提出了一种钙钛矿光伏组件光吸收层的薄膜晶化装置。根据本实用新型的实施例，所述装置包括：
10.真空罩，所述真空罩罩在涂布基台上；
11.负压箱，所述负压箱通过抽气管路与所述真空罩相连，所述负压箱的体积大于所述真空罩的体积；
12.抽气阀门，所述抽气阀门设在所述负压箱与所述真空罩之间的抽气管路上；
13.真空泵，所述真空泵通过管路与所述负压箱相连。
14.根据本实用新型实施例的钙钛矿光伏组件光吸收层的薄膜晶化装置，该装置设置负压箱，在工艺过程中始终保持负压箱的低压，打开抽气阀门后，保证真空罩内压力的迅速降低，不需要配制高功率的真空泵，降低了设备成本。本实用新型装置通过真空低压的方式完成大面积钙钛矿薄膜涂布后的晶化工艺，与现有涂布过程中吹气辅助工艺不同的是，该装置在涂布完成后进行，工艺窗口更宽，可适用于不同材料体系的钙钛矿薄膜涂布。通过该装置可以同时实现钙钛矿的形核晶化和结晶成膜，不需要像现有工艺，先晶化后再热板退火，简化了设备和工艺。该设备通过真空罩放置于涂布基台上方的方式，可以与现有的涂布设备包括狭缝涂布、刮刀涂布、喷墨打印、喷涂等工艺设备匹配，具有良好的普适性。
15.另外，根据本实用新型上述实施例的钙钛矿光伏组件光吸收层的薄膜晶化装置还可以具有如下附加的技术特征：
16.在本实用新型的一些实施例中，所述负压箱的体积为所述真空罩体积的2～10倍。
17.在本实用新型的一些实施例中，所述真空罩与所述涂布基台接触的周边设有胶垫。
18.在本实用新型的一些实施例中，所述装置还包括加热装置，所述加热装置设在所述真空罩内。
19.在本实用新型的一些实施例中，所述加热装置固定在所述真空罩内壁的上表面的中间位置。
20.在本实用新型的一些实施例中，所述装置还包括进气管路，所述进气管路与所述真空罩相连，用于通入钝化钙钛矿膜层的气氛。
21.在本实用新型的一些实施例中，所述进气管路设置在所述真空罩的任一侧。
22.在本实用新型的一些实施例中，所述装置还包括进气管路加热器，所述进气管路加热器设在所述进气管路上。
23.在本实用新型的一些实施例中，所述装置还包括进气阀门，所述进气阀门设在所述进气管路上。
24.在本实用新型的一些实施例中，所述抽气管路的一端设置在所述真空罩的中间位置，所述抽气管路的另一端设置在所述负压箱的中间位置。
25.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
26.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
27.图1是根据本实用新型实施例的钙钛矿光伏组件光吸收层的薄膜晶化装置的结构图。
具体实施方式
28.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
29.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
30.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
31.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
32.在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种钙钛矿光伏组件光吸收层的薄膜晶化装置。根据本实用新型的实施例，参考图1，该装置包括：真空罩2，所述真空罩2罩在涂布基台1上；负压箱8，所述负压箱8通过抽气管路6与所述真空罩2相连，所述负压箱8的体积大于所述真空罩2的体积；抽气阀门7，所述抽气阀门7设在所述负压箱8与所述真空罩2之间的抽气管路6上；真空泵10，所述真空泵10通过管路与所述负压箱8相连。下面进一步对根据本实用新型实施例的钙钛矿光伏组件光吸收层的薄膜晶化装置进行详细描述。
33.根据本实用新型的实施例，参考图1，该装置主体是一个覆盖在钙钛矿薄膜上的真空罩2。涂布后将该真空罩直接罩在涂布基台1上进行晶化工艺，可以和不同的涂布设备匹配使用，普适性良好。
34.根据本实用新型的实施例，参考图1，该装置配制一个负压箱8，在使用过程中，真空泵10保持开启，使负压箱8一直处于低压状态，负压箱8的压力在0.1～1000pa范围内可调，当开启抽气阀门7时，真空罩2中的压力迅速降低，这样不用大功率的真空泵也能达到良好的快速低压效果。从而使得溶剂快速挥发，钙钛矿结晶。
35.根据本实用新型的一个具体实施例，所述真空罩2与所述涂布基台1接触的周边设有胶垫，由此保证真空罩内部良好的气密性。
36.根据本实用新型的再一个具体实施例，所述负压箱8的体积为所述真空罩2体积的2～10倍，且始终保持一定的真空度，由此，当打开抽气阀门7时，真空罩2内压力快速降低，这样不用高功率的真空泵10也可以达到压力快速降低，促使钙钛矿结晶的目的，降低了设
备成本。
37.根据本实用新型的又一个具体实施例，参考附图1，所述装置还包括加热装置3，所述加热装置3设在所述真空罩2内。该真空罩2内部配置加热装置3，加热温度在室温～300℃范围内可调，通过加热促使钙钛矿晶化的晶粒进一步长大。该装置可以一步实现大面积钙钛矿薄膜从形核晶化到结晶成膜的过程，可以实现高质量大面积钙钛矿薄膜的制备，且可以与现有所有的涂布设备相匹配，具有良好的普适性。进一步地，所述加热装置3固定在所述真空罩2内壁的上表面的中间位置，加热装置3的面积稍微小于真空罩内的上表面的面积，由此，使真空罩2内的加热更加均匀，从而促使钙钛矿晶化的晶粒进一步长大。
38.根据本实用新型的又一个具体实施例，参考附图1，所述装置还包括进气管路4，所述进气管路4与所述真空罩2相连，用于通入钝化钙钛矿膜层的气氛。该装置配制一个进气管路4，打开进气阀门5后，所通入气体会随真空罩2内部的低气压流入真空罩2内部，可通入不同的钝化钙钛矿膜层的气氛，来达到钝化膜层缺陷的目的，获得高质量薄膜。钝化气体包括氮气、氩气等惰性气氛，dmf、dmso、nmp、异丙醇、γ
‑
丁内酯、乙腈等溶剂气氛，甲胺气体，mascn气体等有机组分气氛。进一步地，所述进气管路设置在所述真空罩的任一侧。
39.根据本实用新型的又一个具体实施例，参考附图1，该进气管路4配有进气管路加热器9，所述进气管路加热器9设在所述进气管路4上，加热温度在室温～300℃范围内可调，可获得更好的钝化效果。
40.根据本实用新型的又一个具体实施例，参考附图1，所述抽气管路的一端设置在所述真空罩的中间位置，所述抽气管路的另一端设置在所述负压箱的中间位置，由此，进一步促使真空罩内压力快速降低。
41.根据本实用新型实施例的钙钛矿光伏组件光吸收层的薄膜晶化装置至少具有以下优点之一：
42.1、在设备中设置负压箱，负压箱体积大于真空罩体积，且始终保持一定的真空度，当打开抽气阀门时，真空罩内压力快速降低，这样不用高功率的真空泵也可以达到压力快速降低，促使钙钛矿结晶的目的，降低了设备成本。
43.2、在真空罩内部安装有加热装置，通过温控单元可控制真空罩温度在室温～300℃内可调，晶化的同时退火促使膜层晶粒长大。相比目前先晶化再用热板退火的工艺，简化了设备和工艺。
44.3、该设备配备进气装置，可通入不同钝化效果的特殊气体，通过气氛钝化，修复大面积薄膜中的缺陷，可获得高质量的大面积钙钛矿薄膜。另外，通入气体可以加热，达到进一步钝化膜层缺陷的目的。
45.4、通过该设备可以同时实现钙钛矿的形核晶化和结晶成膜，不需要像现有工艺，先晶化后再热板退火，简化了设备和工艺。
46.5、该设备通过真空罩放置于涂布基台上方的方式，可以与现有的涂布设备包括狭缝涂布、刮刀涂布、喷墨打印、喷涂等工艺设备匹配，具有良好的普世性。
47.下面参考具体实施例，对本实用新型进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本实用新型。
48.实施例1
49.本实施例提供一种大面积钙钛矿薄膜的结晶工艺装置，该装置包括：一个覆盖在
钙钛矿薄膜上的真空罩2，通过四周的胶垫保证真空罩内部良好的气密性。一个负压箱8与真空罩2相连，负压箱8的体积大于真空罩2体积，负压箱8的压力在0.1～1000pa范围内可调，负压箱8通过管路与真空泵10相连。真空罩2另连接一个进气管路4，打开进气阀门5后，所通入气体会随真空罩2内部的低气压流入真空罩2内部，可通入不同的钝化钙钛矿膜层的气氛，来达到钝化膜层缺陷的目的，获得高质量薄膜。该进气管路4配有进气管路加热器9，加热温度在室温～300℃可调，可获得更好的钝化效果。真空罩2内部配置加热装置3，加热温度室温～300度可调。
50.fto经清洁剂、去离子水、乙醇超声清洗后，通过化学浴沉积进行传输层制备，传输层为sno2或nio
x
。将制备好传输层的基片经紫外臭氧或等离子清洗处理后，放置于狭缝涂布基台上进行涂布，涂布完毕后，将上述装置的真空罩罩在涂布基台上，本实用新型装置的负压箱预先保持在100pa，打开抽气阀门，真空罩内压力迅速降低，保持30s，关闭抽气阀门，打开加热装置，设置温度150℃，保温10min，关闭加热装置，移开真空罩，钙钛矿薄膜制备完成。
51.实施例2
52.fto经清洁剂、去离子水、乙醇超声清洗后，通过化学浴沉积进行传输层制备，传输层为sno2或nio
x
。将制备好传输层的基片经紫外臭氧或等离子清洗处理后，放置于狭缝涂布基台上进行涂布，涂布完毕后，将实施例1装置的真空罩罩在涂布基台上，实施例1装置的负压箱预先保持在10pa，加热装置预先保温在100℃。打开抽气阀门，真空罩内压力迅速降低，保持30s，关闭抽气阀门，继续保温30min，关闭加热装置，移开真空罩，钙钛矿薄膜制备完成。
53.实施例3
54.fto经清洁剂、去离子水、乙醇超声清洗后，通过化学浴沉积进行传输层制备，传输层为sno2或nio
x
。将制备好传输层的基片经紫外臭氧或等离子清洗处理后，放置于狭缝涂布基台上进行涂布，涂布完毕后，将实施例1装置的真空罩罩在涂布基台上，实施例1装置的负压箱预先保持在10pa，打开抽气阀门，真空罩内压力迅速降低，打开进气阀门，通入甲胺气体，保持10s，关闭抽气阀门，20s后关闭进气阀门，打开加热装置，设置温度150℃，继续保温10min，关闭加热装置，移开真空罩，钙钛矿薄膜制备完成。
55.实施例4
56.fto经清洁剂、去离子水、乙醇超声清洗后，通过化学浴沉积进行传输层制备，传输层为sno2或nio
x
。将制备好传输层的基片经紫外臭氧或等离子清洗处理后，放置于狭缝涂布基台上进行涂布，涂布完毕后，将实施例1装置的真空罩罩在涂布基台上，实施例1装置的负压箱预先保持在1pa，进气管加热温度设置为100℃，打开抽气阀门，同时打开进气阀门，抽真空同时通入甲胺气体，保持10s，关闭进气阀门，20s后关闭抽气气阀门，打开加热装置，设置温度150℃，继续保温10min，关闭加热装置，移开真空罩，钙钛矿薄膜制备完成。
57.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域
的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
58.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。