平面涂布设备在该钛矿电池核心层制备中的应用

平面涂布设备在该钛矿电池核心层制备中的应用

李举平，王冰，魏鼎，高云升，杨智江，葛朝明，郑拓文，李瑜

西安航天华阳机电装备有限公司，陕西西安  710100

摘要：本文介绍采用平面涂布技术及研制的平面涂布设备进行钙钛矿电池核心层钙钛矿层大面积制备。

关键词：平面涂布  钙钛矿电池  核心层制备

能源是促进国民经济向前发展、推动社会文明进步和改善人民生活水平的重要物质基础。太阳能具有清洁、安全且资源可再生等优势而备受广泛关注。太阳能电池钙钛矿是一种可以直接将太阳能转化为电能的光电子器件，具有高光电转换效率、低成本、低能耗、应用场景广的优势，近年来获得了国家和地方政策的大力支持。钙钛矿层作为钙钛矿电池的核心，直接关系到电池的光电转化效率，因此要求钙钛矿层厚度均匀一致、平整、无皱褶。钙钛矿层是钙钛矿电池制备难度最大的功能层，其制备技术难度远远大于其他结构层。钙钛矿层的基体一般为玻璃或塑料基材，玻璃基体居多，这就要求钙钛矿层制造设备的适应性要强，平面涂布技术及平面涂布设备既能满足在玻璃等刚性基体上涂层，也可满足塑料等柔性基体上涂层，可实现钙钛矿层大面积制备。

1、钙钛矿层涂覆技术要求

基体要求：玻璃等刚性材料、塑料等柔性材料。

厚度300～500nm ；

涂布要求：均匀一致、平整、无皱褶；

涂覆方式:狭缝涂布；

涂覆厚度控制精度：优于或等于3%；

2、平面涂布技术大面积制备钙钛矿层的技术方法

平面技术大面积制备钙钛矿层的方法包括狭缝涂布、刮刀涂布、喷墨印刷、丝网印刷等方法。其中喷墨印刷和丝网印刷前驱液利用率低、对丝网精度要求高，喷墨印刷设备要求高、生产效率低、难以控制结晶过程。刮刀涂布和狭缝涂布由于操作简单、可控性强并可与卷对卷工艺完美兼容，成为目前主流的大面积沉积工艺。刮刀涂布是指将均匀分布在基材上的前驱体溶液用刀片匀速推开，刮去多余的溶液，在基材表面形成均匀的钙钛矿薄膜。狭缝涂布是指在一定压力下，将前驱体溶液通过缝隙涂布在基材上，整个涂布过程都属于非接触式，因此制备的钙钛矿薄膜均匀性、平整性较高。与刮涂法相比，狭缝涂布法制备过程中，涂布头无需与基底接触，避免了基底被涂布头刮伤，钙钛矿的薄膜厚度可以通过控制前驱液的浓度和粘度、涂布头与基板之间的间隙、涂布的速度、前驱液的进液速度以及气刀的压力决定，而这些参数都可以通过程序提前设置。狭缝涂布更有利于控制钙钛矿层大面积制备的均匀性，将是钙钛矿量产的主流方法。但目前钙钛矿层还存在尚未大面积制备、未工业化量产等问题，其原因在于钙钛矿层对制造设备的精度、涂布均匀性、涂层精度要求高。

3、适用于钙钛矿层制备的平面涂布设备

本次研制的平面涂布设备创新点在于研发了真空吸附料膜平稳传动技术，解决了平面涂布无张力下的料膜展平控制技术，确保涂布基础的稳定性和平整性；设计开发出了气浮模头精准涂布技术，可实现涂覆厚度控制精度≤等于3%；设计了微负压精密供胶控制系统，解决了平面间隙涂布、平面块状涂布拖尾及涂层厚度不均匀的问题。钙钛矿层平面涂布设备它包括框架单元、涂布平台单元、移动狭缝模头单元、前驱液精密输送供给系统组成。

图1 钙钛矿层平面涂布设备

3.1框架单元

框架单元包括上平台组件和下框架组件，上平台组件采用大理石平台，大理石平台的四角设置风琴护罩，左右两个风琴护罩之间设置护罩移动导轨连接，移动导轨为移动模头单元提供路线轨迹，移动模头与气浮大理石平台的气浮区对应，配合大理石平台的悬浮平移；大理石平台的侧面设置与模头移动框架组件的感应器对应的感应装置，用于监测模头的移动位置；与大理石平台完全配合，为实现移动模头稳定行走提供平台基础，有利于整机一致性和高精密。

3.2涂布平台单元

涂布平台单元包括大理石吸附台和涂布平台底板组件，大理石吸附台均压流道设计，左右设置多个1mm微孔均布负压布压点，以保证吸附力均衡，大理石平面度≤5μm，为稳定高精度放置平板提供基础；涂布平台底板组件包括平行的导柱板和涂布平台底板，采用3点位千分尺Y轴升降平台手动调节的水平微调机构，保证涂布平台底板组件的平稳性，调平升降平板后的微小震动造成的微小位移量；平板升降采用伺服电机驱动，三个精密导柱导向，9点位同步顶升，最大程度消除平板升降产生的误差，有利于纳米级涂布。

采用气浮设计悬浮在大理石平台，隔绝外界震动，保证模头平移的绝对精度；模头升降采用左右各一组伺服电机加滚珠丝杆驱动，同时还设置升降气缸驱动模头，升降气缸提供背压消隙，可微调模头水平度，两组精密机构保证模头升降的绝对精度；模头距离控制采用高精密的激光位移传感器，实时监测与平板间距且实时调整，与模头升降配合，对模头高度进行微调；综合气浮平移、直线电机驱动加升降气缸双重升降、激光探头调整距离的三个方向的高精密控制，实现纳米级高精密涂覆。

3.3移动狭缝模头单元

气浮模头精准涂布的关键在涂布模头和气浮模头装置。涂布模头设计不锈钢材料，模头直线度要求≤3μm。气浮模头装置由X轴移动机构，Z轴移动机构构成；Z轴移动机构中悬浮平台做为两边底座，底座上固定精密模组，模组通过螺栓轴承将涂布头龙门架固定同时在其上设置气动消隙装置，在龙门架上安置精密模头及自动侧厚仪通过Z轴伺服实现上下运动；通过自动测厚仪提供模头上下位置信息， Z轴伺服系统根据位置信息实现模头Z轴精确定位，同时配置反向顶除消间隙装置，达到μm级精度等级。X轴移动机构中，通过双侧大理石轨道，悬浮装置，X轴气浮导向机构同Z轴移动机构整体联系在一起，通过X轴运动直线电机驱动满足移动速度波动小于0.2%，重复定位±2μm需求；X轴运动时通过读数头提供位置信息，直线电机提供动力，实现模头在X轴方向精确定位。

3.4前驱液精密输送供给系统

前驱液精密输送供给系统是泵阀管路与涂布模头之间形成微负压，泵阀管路与涂布模头在供胶系统达到一个压力平衡。在系统微负压的作用液体表面张力增加、自重减小，控制开始涂布和涂布结束阶段液体不从模头向外流出，从而解决了平面间隙涂布、平面块状涂布拖尾及涂层厚度不均匀的问题。

4、钙钛矿电池行业需求

根据光伏行业深度分析，到2026年我国新型光伏钙钛矿电池行业需求16GW，2030年新型光伏钙钛矿电池行业需求161GW。按100MW产线设备配置2台平面涂布设备，到2026年钙钛矿领域的高精密平面涂布设备需求在320台，2030年钙钛矿领域的高精密平面涂布设备需求在3220台。

5、结论

高精密平面涂布设备选用狭缝涂布方式，集合高精密大理石气浮式平台以及前驱液精密输送供给系统，设备具有高精密、高精度、高稳定性、智能操作、维护便捷等特点，适宜应用于大面积钙钛矿层量产制备。根据光伏行业深度分析，未来几年钙钛矿电池行业需求逐年递增，同时对平面涂布设备的需求也逐年提高，将有力推动国内钙钛矿电池行业迅速发展。