应用于制备钙钛矿电池的刮涂设备的制作方法

本实用新型特别涉及一种应用于制备钙钛矿电池的刮涂设备，属于钙钛矿薄膜电池加工技术领域。

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0.09cm²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。除去钙钛矿薄膜的制备质量外，其两侧的空穴传输层及电子传输层的制备，也是目前需要优化的课题。例如NiO、SnO、Cu2O、ZnO、TiO、PCBM、C60、Spiro等材料。

目前，常用的手段包括热蒸镀、电子束蒸镀、溅射、ALD沉积、溶液法等。热蒸镀、电子束蒸镀、溅射等方法可以得到稳定优质的薄膜，但需要高真空工艺，且成本不低，不适合大面积生产。ALD沉积可以精确控制成膜厚度，但制备所需时间太长，也不适用连续性生产。且这些方法大多只适用于金属及半导体及有限的几种有机物，无法实现对于PCBM、Spiro等有机物的制备。

相对来说，溶液法适用性更广，对于大部分的半导体及有机物均能成功涂覆成液膜并后期干燥。而溶液法制备液膜时的关键就是成膜的厚度均匀可控，无气泡及孔洞。现有的溶液法涂覆方法有涂布法、提拉法、线棒刮涂法、卷对卷转印法等。涂布法需要专门的设备以控制其成膜精度，设备复杂，所需最少溶液较多，后期不宜回收，存在溶液的浪费，成本较高。提拉法适用范围较窄，不适用于部分溶剂及对干燥有特殊需求的材料。卷对卷转印所需设备较复杂，容易由于干燥出现孔洞导致拖痕，需要经常人工控制调整，且大部分时候是在柔性材料上应用的。

常规的线棒刮涂法，是在基板前部滴覆上相应溶液，而后利用线棒上的细纹吸附溶液，并带着部分溶液向前刮涂，使得液膜覆盖在基板表面。现有的刮涂设备在刮涂低粘度溶液时，随着刮涂距离的增加，后端厚度会逐渐比前端薄，导致刮涂距离有限，需要来回刮涂来调整均匀性；而单纯提高线棒线距来增加吸附溶液量，会导致湿膜上出现肉眼可见的条纹，这是受线棒上突出的钢线的影响，更宽的线距使得两侧溶液来不及向两侧自然的流平。现有的涂布设备的精度要求高、操作复杂、且具有应用的局限性。涂布法、提拉法、卷对卷转引法都需要专门定制的大型设备，对精度等要求较高，操作复杂，且都具有一定的局限性，不能适用于所有溶液；以及现有涂布设备成本较高、所需溶液较多，且较易造成溶液被污染，回收困难，造成浪费。例如图1中所述一种涂布设备，其作为一种柔性印刷设备，①②为模头，⑧为线棒，④为阻隔块，⑤为模头里的溶液。工作原理为：溶液⑤在模头①②内流动，并流经①②⑧④围起来的区域，即阻隔块④的上方，线棒⑧的下方。线棒⑧由电机带动旋转，利用线棒的特性吸附溶液，并将溶液转印到上方的基底上。其在工作过程中基材基底正面向下，由下向上涂布，附加其他设备组件进行溶液供给与回收；涂布方式为基材连续移动，线棒转动将溶液转印其上；其主要适用于液膜较薄，有一定粘度的溶液，不适合在玻璃等平面基底上涂布，不适合由上向下涂布。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种应用于制备钙钛矿电池的刮涂设备及制备薄膜的方法，可用于制备大面积的钙钛矿电池空穴及电子层，进而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应用于制备钙钛矿电池的刮涂设备，其包括线棒，所述线棒包括线棒本体，所述线棒本体内设置有沿轴向延伸的储液腔，所述储液腔用以存储料液，同时所述线棒本体表面还开设有沿轴向延伸的狭缝，所述储液腔与狭缝连通。

进一步的，所述线棒上还设有与所述储液腔连通的进液口和回液口，所述进液口与供液装置连通。

更进一步的，所述线棒还包括分别连接于所述线棒本体两端的两个连接转换头，其中一个连接转换头上设置有所述进液口，另一个连接转换头上设置有所述回液口。

进一步的，所述狭缝的宽度为0.02-2mm。

进一步的，所述线缝相对于水平面向上倾斜设置。

优选的，所述线缝的内壁与水平面之间的夹角大于0°小于180°。

进一步的，所述线棒本体表面还分布有多个凸起的线圈，所述的线圈环绕线棒本体外周设置，且相邻线圈之间的距离为5-100μm。

进一步的，所述线棒本体为圆柱体结构。

进一步的，所述线棒本体的直径为10-30mm。

进一步的，所述储液腔的直径为3-20mm。

本实用新型实施例还提供了一种制备钙钛矿电池空穴层或电子层的方法，其包括：

提供一线棒，所述线棒包括线棒本体，所述线棒本体内设置有沿轴向延伸的储液腔，所述储液腔用以存储料液，同时所述线棒本体表面还开设有沿轴向延伸的狭缝，所述储液腔与狭缝连通；

使所述线棒水平设置，并使所述狭缝相对于水平面向上倾斜设置；

向所述储液腔内注入料液，至料液将要从狭缝中溢出，再调整所述线棒的位置，使所述线棒与基材配合，完成刮涂前置工作；

继续向所述储液腔内注入料液，并使所述线棒与基材相对移动，同时使从所述狭缝中溢出的料液被所述线棒刮涂至基材表面形成连续的液膜，所述液膜能在固化后形成连续的薄膜

进一步的，所述狭缝的内壁与水平面的夹角大于0°小于180°。

优选的，所述狭缝位于所述线棒轴线的正上方。

进一步的，所述料液为用以形成钙钛矿电池空穴层或电子层的前驱体溶液，所述基材包括钙钛矿薄膜，所述液膜在固化后形成的薄膜为钙钛矿电池的空穴层或电子层。

进一步的，所述薄膜的厚度为20-1000nm，均匀度在±20％以内。

与现有技术相比，本实用新型实施例提供的刮涂设备，结构简单，操作方便，适用于制备大面积的薄膜或层状结构，其能够使线棒能在长距离刮涂中保持持续、足量的带液量，且能够保持涂布产品的均匀性，利于在大尺寸基板上进行低粘度溶液的涂覆，并且供料机构所需总液量少，且能够回收利用，节约成本。

附图说明

图1是现有技术中一种涂布设备的结构示意图；

图2是本实用新型实施例1中一种线棒本体的结构示意图；

图3是本实用新型实施例1中一种线棒本体的剖面结构示意图；

图4是本实用新型实施例1中一种线棒本体的局部结构示意图；

图5是本实用新型实施例1中一种线棒本体的局部剖面结构示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案实用新型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应用于制备钙钛矿电池的刮涂设备，其包括线棒，所述线棒包括线棒本体，所述线棒本体内设置有沿轴向延伸的储液腔，所述储液腔用以存储料液，同时所述线棒本体表面还开设有沿轴向延伸的狭缝，所述储液腔与狭缝连通。

进一步的，所述线棒上还设有与所述储液腔连通的进液口和回液口，所述进液口与供液装置连通。

更进一步的，所述线棒还包括分别连接于所述线棒本体两端的两个连接转换头，其中一个连接转换头上设置有所述进液口，另一个连接转换头上设置有所述回液口。

进一步的，所述狭缝的宽度为0.02-2mm。

进一步的，所述线缝相对于水平面向上倾斜设置。

优选的，所述线缝的内壁与水平面之间的夹角大于0°小于180°。

进一步的，所述线棒本体表面还分布有多个凸起的线圈，所述的线圈环绕线棒本体外周设置，且相邻线圈之间的距离为5-100μm。

进一步的，所述线棒本体为圆柱体结构。

进一步的，所述线棒本体的直径为10-30mm。

进一步的，所述储液腔的直径为3-20mm。

本实用新型实施例还提供了一种制备钙钛矿电池空穴层或电子层的方法，其包括：

提供一线棒，所述线棒包括线棒本体，所述线棒本体内设置有沿轴向延伸的储液腔，所述储液腔用以存储料液，同时所述线棒本体表面还开设有沿轴向延伸的狭缝，所述储液腔与狭缝连通；

使所述线棒水平设置，并使所述狭缝相对于水平面向上倾斜设置；

向所述储液腔内注入料液，至料液将要从狭缝中溢出，再调整所述线棒的位置，使所述线棒与基材配合，完成刮涂前置工作；

继续向所述储液腔内注入料液，并使所述线棒与基材相对移动，同时使从所述狭缝中溢出的料液被所述线棒刮涂至基材表面形成连续的液膜，所述液膜能在固化后形成连续的薄膜

进一步的，所述狭缝的内壁与水平面的夹角大于0°小于180°。

优选的，所述狭缝位于所述线棒轴线的正上方。

进一步的，所述料液为用以形成钙钛矿电池空穴层或电子层的前驱体溶液，所述基材包括钙钛矿薄膜，所述液膜在固化后形成的薄膜为钙钛矿电池的空穴层或电子层。

进一步的，所述薄膜的厚度为20-1000nm，均匀度在±20％以内。

如下将结合附图以及具体实施例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

实施例1

一种应用于制备钙钛矿电池的刮涂设备，主要针对低浓度的成膜料液使用，其包括线棒、与线棒连接的供液装置以及还可以包括安装支架和驱动机构(例如驱动电机或驱动气缸等)，线棒可以安装在安装支架上，驱动机构与安装支架或线棒传动连接，并至少使线棒沿设定方向和设定轨迹运动；其中安装支架的具体结构形式可根据具体情况设置。

请参阅图2-图5，所述线棒包括线棒本体101，线棒本体101内设置有沿其轴向延伸的储液腔102，储液腔102用以存储料液，同时线棒本体101表面还开设有沿其轴向延伸的狭缝103，储液腔102与狭缝103连通；线棒本体101表面还分布有多个凸起的线圈，线圈环绕线棒本体外周设置，且相邻线圈之间形成导料凹槽，由狭缝中溢出的料液能够进入导料凹槽中，并沿导料凹槽输送，相邻线圈之间的距离(即导料凹槽的宽度)为5-100μm，多个凸起的线圈可以一体设置，其可以呈螺旋状绕设在线棒本体表面。在线棒本体101的两端分别连接由连接转换头201、301，连接转换头201上设置有进液口，连接转换头301上设置有回液口，连接转换头201经一连接头202与供液装置连接，进而使进液口与供液装置连通，连接转换头301经一连接头或直接与供液装置连接，进而使回液口与供液装置连通；其中连接转换头201和连接转换头301可以设置有开关，能够经由开关使连接转换头201、301处于打开或关闭状态。

其中，狭缝103相对于水平面向上倾斜设置，狭缝103的内壁与水平面的夹角大于0°且小于180°；具体的，线棒本体101可以为圆柱体结构，其直径为10-30mm，储液腔102的直径为3-20mm，狭缝103的宽度为0.02-2mm。

一种制备钙钛矿电池空穴层或电子层的方法，其可以包括：

1)提供一线棒，所述线棒包括线棒本体101，所述线棒本体101内设置有沿轴向延伸的储液腔102，储液腔用以存储料液，同时线棒本体表面还开设有沿轴向延伸的狭缝103，储液腔与狭缝连通，以及，在线棒本体101表面还分布有多个凸起的线圈，线圈环绕线棒本体外周设置，且相邻线圈之间形成导料凹槽，相邻线圈之间的距离(即导料凹槽的宽度)为5-100μm，在线棒的两端分别设置连接转换头，并分别作为进液口和回液口，并使进液口和回液口分别与供液装置连通；

2)使线棒水平设置，并使狭缝103相对于水平面向上倾斜设置，狭缝103的内壁与水平面的夹角为0-180°，例如可以使狭缝位于线缝轴线的正上方，即缝103的内壁与水平面的夹角为90°；

3)将回液口关闭，采用蠕动泵等工具向所述储液腔102内注入料液，至料液将要从狭缝103中溢出，再调整所述线棒的位置，使所述线棒与基材配合，完成刮涂前置工作；

4)继续向所述储液腔102内注入料液，并使所述线棒与基材按照一定速度相对移动，同时使从所述狭缝中溢出的料液被所述线棒刮涂至基材表面形成连续的液膜，所述液膜能在固化后形成连续的薄膜。

具体的，所述料液为用以形成钙钛矿电池空穴层或电子层的前驱体溶液，所述基材包括钙钛矿薄膜，所述液膜在固化后形成的薄膜为钙钛矿电池的空穴层或电子层；形成的薄膜的厚度为20-1000nm，均匀度在±20％以内。

需要说明的是，本实用新型实施例提供的刮涂设备除了可以适用于制备钙钛矿太阳能电池中的结构之外，还可以用于制备如导电膜、Ag纳米等各种膜结构，可以根据需求配置成低粘度的料液。本实用新型中提供的刮涂设备的线棒本体和线圈的材质可以采用本领域常用的材质，例如钢等金属材料，其长度可根据需要进行调节；其中的安装架的结构可以根据具体情况设置，供液装置可以包括容料的容器、导料管和蠕动泵等，料液通过泵驱动，经导料管完成输送，其结构在此不再赘述，其中的连接转换机构中的连接转换头和连接头的结构和材质可以采用本领域技术人员所知的结构和材质，可以通过市购获得。

本实用新型实施例提供的刮涂设备，适合在玻璃等平面基底上的涂布，亦可适合卷对卷柔性基材，可以由上向下涂布；以及，适合各种粘度的料液，尤其为低粘度料液，对液膜厚度没有特殊要求；本实用新型较之现有技术对比其他技术来说，减少了复杂的其他组件，便于集成在各类设备上，降低了对空间、造价、维护等的要求；并且适用范围更广，对料液和基材均无特殊要求；结构简单，造价低廉，更易于搭配进各类设备系统中，方便设备改造；且具有供液系统，能长距离均匀涂布；操作简单，取用方便，所需溶液少，回收溶液更简单。

与现有技术相比，本实用新型实施例提供的刮涂设备，适用于制备大面积的薄膜或层状结构，其能够使线棒能在长距离刮涂中保持持续、足量的带液量，且能够保持涂布产品的均匀性，利于在大尺寸基板上进行低粘度溶液的涂覆，并且供料机构所需总液量少，且能够回收利用，节约成本。

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。