一种有机光伏器件活性层高速涂覆的制备方法及装置

本发明涉及制造半导体器件的方法或设备，尤其涉及一种有机光伏器件活性层高速涂覆的制备方法及装置。

背景技术：

1、有机太阳能电池(oscs)作为下一代光伏技术，在过去的十几年中引起了广泛关注。得益于光伏材料的快速发展以及对器件工程的深入了解等，单结有机太阳能电池可以获得19％以上的光电转换效率。尽管有机太阳能电池在实验室规模的器件效率和稳定性方面取得了巨大成功，但对高通量和具有成本效益的解决方案的迫切需求仍未得到解决，也很少报道。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，在本发明的第一方面，提供了一种联动型逐层狭缝涂布仪，包括涂覆单元1、供液单元2以及控制单元3；

2、所述涂覆单元1包括两个狭缝涂布刀头，第一狭缝涂布刀头11、第二狭缝涂布刀头12设置于基板13的涂覆面上，并夹装于间距可调的联动刀头夹具14之中，使涂覆过程中狭缝涂布刀头间的相对距离可调，并保持涂覆的相对稳定；

3、所述供液单元2包括第一注射器21、第二注射器22，两者通过引液管23依次与第一狭缝涂布刀头11、第二狭缝涂布刀头12连通，为其涂覆输送原料；

4、所述控制单元3包括刮速控制器31、流速控制器32，涂覆单元1的控制狭缝涂布刀头由刮速控制器31推动并控制涂覆速率，供液单元2的注射器固定于流速控制器32的变速卡槽中，通过调节注射器的推进速率以控制原料的输送量。

5、狭缝涂布刀头的作用是用剪切力将被加注的溶液在基板上刮开，以形成均匀的固相薄膜。在实现该功能的原则下，其形制的选择是多样的，可以采用本领域通用的狭缝涂布刀头或其他形制的刀头。优选的，所述狭缝涂布刀头的结构包括上模、下模、进液口、间距调节螺母；上模和下模是两个叠在一起并设有缝隙作为涂覆出液口的刀片，上模由将原料液滴刮为均匀液膜的刀片构成，下模则是内部包含容纳原料和保持湿润的空腔的刀片，下模作为原料到达上模前的过渡存放区，不直接与基板上的液膜接触；引液管23通过进液口与狭缝涂布刀头连接；间距调节螺母设置于狭缝涂布刀头顶端，用于调节出液口和基板的间距，以达到调整液膜厚度的目的。使用时，原料溶液通过引液管输送至狭缝涂布刀头，首先存放于下模的空腔中，随后经由涂覆出液口，在上模刀片作用下刮制形成液膜。

6、优选的，所述联动刀头夹具14包括夹片、联动杆以及固定螺母；夹片设有孔洞，由孔洞套入联动杆之中，使其可随联动杆方向移动，以控制涂覆间距；根据狭缝涂布刀头的夹持位置旋调固定螺母，使夹片锁紧，达到夹持稳固的效果。

7、进一步优选的，所述夹片与联动杆的连接处还设置有转轴，用于调节狭缝涂布刀头间的相对位置使其保持平行，以及调节狭缝涂布刀头与基板的相对位置使其保持垂直。

8、在本发明的第二方面，提供了一种适用于大面积组件生产、制备效率高的有机光伏器件活性层高速涂覆的制备方法，采用本发明第一方面的装置进行涂覆，包括如下步骤：

9、(1)设定狭缝涂布刀头的垂直高度、涂覆间距、基板温度，预热基板并固定基底；

10、(2)设定狭缝涂布刀头的涂覆速度，完成参数设定并装载涂覆原料；

11、(3)于基底表面涂覆形成活性层薄膜，完成有机光伏器件活性层高速涂覆。

12、优选的，所述步骤(1)中，所述狭缝涂布刀头的垂直高度为1.1～1.7mm；涂覆间距为20～100mm；基板温度为室温至60℃。

13、优选的，所述步骤(2)，所述涂覆速度为5～100mm/s。

14、优选的，所述步骤(2)中，所述涂覆原料的溶液浓度为4～12mg/ml。

15、优选的，所述步骤(2)中，所述涂覆原料包括给体溶液与受体溶液，分别装载至供液单元的两个注射器中。

16、成膜动力学主要受到上述核心参数的影响。在生产操作中，对于原料溶液的供液速度，可根据实际涂覆速度进行匹配调整，保证涂覆时狭缝涂布刀头内始终有连续的原料溶液供应即可。

17、进一步优选的，所述步骤(3)中，所述涂覆时，给体溶液和受体溶液依次以先后顺序涂覆于基底表面，使所得受体膜沉积于给体膜之上。

18、在工业化生产中，溶液涂覆过程可视为在无限长的柔性基底上进行。基于以上技术方案，本发明的设计构思在于，将逐层法与狭缝涂布相结合，工作时，两个狭缝涂布刀头均打开并处于工作状态，持续开启的给体溶液刀头和受体溶液刀头依次在基底上刮过，便能分别依次沉积形成给体层和受体层。相比于逐层涂覆的方式，本方法显著缩短了生产空窗期，达到连续高效溶液制备的目的，在维持器件原有效率的前提下实现有机光伏的高速制备，同时还提高了器件的稳定性。由于注射器内可装载大量溶液，本发明的装置亦可应用于大面积组件的生产。

19、为了解决上述问题，本发明提出了一种有机光伏器件活性层高速涂覆的制备装置及制备方法，设计开发了用于大面积器件和组件的高速涂覆制备的联动型逐层狭缝涂布仪。通过平衡流速、基板温度、溶液浓度和涂覆速度等因素的成膜动力学，实现了基于逐层狭缝涂布制备高效的太阳能电池和太阳能组件。从而克服传统工艺的低效生产问题，实现有机光伏电池的高速制造。

20、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

21、本发明提供了一种联动型逐层狭缝涂布仪，将逐层法与狭缝涂布相结合，可用于大面积器件和组件的高速涂覆制备。

22、本发明还提供了一种有机光伏器件活性层高速涂覆的制备方法，采用联动型逐层狭缝涂布仪进行涂覆，克服了传统工艺生产低效问题，实现有机光伏电池的高速制造，所制成品具有优异的综合性能。

技术特征：

1.一种联动型逐层狭缝涂布仪，包括涂覆单元(1)、供液单元(2)以及控制单元(3)，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的联动型逐层狭缝涂布仪，其特征在于：所述狭缝涂布刀头的结构包括上模、下模、进液口、间距调节螺母；上模和下模是两个叠在一起并设有缝隙作为涂覆出液口的刀片，上模由将原料液滴刮为均匀液膜的刀片构成，下模则是内部包含容纳原料和保持湿润的空腔的刀片，下模作为原料到达上模前的过渡存放区，不直接与基板上的液膜接触；引液管(23)通过进液口与狭缝涂布刀头连接；间距调节螺母设置于狭缝涂布刀头顶端，用于调节出液口和基板的间距。

3.根据权利要求1所述的联动型逐层狭缝涂布仪，其特征在于：所述联动刀头夹具(14)包括夹片、联动杆以及固定螺母；夹片设有孔洞，由孔洞套入联动杆之中，使其可随联动杆方向移动；根据狭缝涂布刀头的夹持位置旋调固定螺母，使夹片锁紧。

4.根据权利要求3所述的联动型逐层狭缝涂布仪，其特征在于：所述夹片与联动杆的连接处还设置有转轴。

5.一种有机光伏器件活性层高速涂覆的制备方法，其特征在于，采用如权利要求1～4任一项所述的联动型逐层狭缝涂布仪进行涂覆，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述狭缝涂布刀头的垂直高度为1.1～1.7mm；涂覆间距为20～100mm；基板温度为室温至60℃。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)，所述涂覆速度为5～100mm/s。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述涂覆原料的溶液浓度为4～12mg/ml。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述涂覆原料包括给体溶液与受体溶液，分别装载至供液单元的两个注射器中。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述涂覆时，给体溶液和受体溶液依次以先后顺序涂覆于基底表面，使所得受体膜沉积于给体膜之上。

技术总结
本发明公开了一种有机光伏器件活性层高速涂覆的制备方法及装置，属于制造半导体器件的方法或设备技术领域。本发明将逐层法与狭缝涂布相结合，设计开发了用于大面积器件和组件的高速涂覆制备的联动型逐层狭缝涂布仪。实现了基于逐层狭缝涂布制备高效的太阳能电池和太阳能组件。克服了传统工艺的低效生产问题，实现了有机光伏电池的高速制造。

技术研发人员：闵杰,孙瑞,肖博
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21