一种钙钛矿太阳能电池蒸镀材料耗量的自动监控方法与流程

本发明属于电池制造，涉及一种蒸镀材料耗量的监控方法，尤其涉及一种钙钛矿太阳能电池蒸镀材料耗量的自动监控方法。

背景技术：

1、真空蒸镀法是制备大面积、高一致性钙钛矿光吸收层薄膜的关键产业化工艺，相比溶液法，其具有膜层均匀性好、无溶剂残留、可精准调控膜厚、适配大尺寸基板量产等优势，是下一代钙钛矿光伏产业化的主流技术路线。钙钛矿蒸镀所用有机金属卤化物盐（fai、mai、csbr、pbi2等）属于高值特种材料，成本占钙钛矿子电池原材料成本的40%以上，材料耗量的精准监控直接决定量产成本管控、膜厚批次一致性与工艺标准化水平。

2、目前，行业内钙钛矿蒸镀材料耗量的监控与管控，主要采用两种传统方式：（1）事前经验估算。基于目标薄膜厚度、膜层面积、材料理论密度，结合操作人员的历史经验，估算单次蒸镀的材料用量，提前向坩埚内加料，仅能实现事前的粗略预估，无法实现过程中的实时监控。（2）事后称重核算。蒸镀全流程完成后，待腔体冷却至室温，取出坩埚对剩余材料进行高精度称重，通过初始质量与剩余质量的差值，核算本次蒸镀的实际耗量，仅能实现事后的结果验证，无过程监控能力。

3、此外，现有真空蒸镀设备配套的石英晶体微天平（qcm），仅被用于蒸发速率的实时采集，未被应用于材料耗量的精准累计与全流程监控。同时，常规qcm的速率-厚度转换仅采用固定的工具因子，未考虑钙钛矿蒸镀过程中的动态误差，直接用于耗量计算的偏差极大，无法满足钙钛矿产业化的严苛要求。

4、总体而言，经产业化验证与深入研究，现有技术存在以下无法适配钙钛矿电池量产需求的主要缺陷：（1）估算精度极差，无法满足量产耗量精准管控要求。现有经验估算仅基于理论参数，未考虑蒸发过程中腔体壁吸附、材料升华效率波动、温度漂移、腔体压强变化等动态因素，实际耗量与估算值的偏差普遍超过15%；为避免蒸镀过程中材料耗尽导致批次报废，生产端普遍预留20%以上的材料余量，直接导致材料利用率不足60%。（2）监控严重滞后，无过程化实时监控能力。现有事后称重的方式，仅能在整批次蒸镀完成后获取耗量数据，蒸镀过程中出现的材料升华异常、速率漂移、坩埚漏料、材料分解等问题无法被实时捕捉，无法掌握蒸镀全周期的材料耗量动态变化过程，仅能实现事后结果验证，无法为工艺优化提供全流程数据支撑。（3）无法实现工艺标准化与全流程溯源管理。经验估算高度依赖操作人员的个人经验，不同设备、不同批次、不同操作人员的估算值差异极大，工艺无法实现跨设备、跨产线的标准化复制，严重制约产业化扩产。同时，无实时、量化的耗量过程数据存档，当出现膜层性能异常时，无法追溯蒸镀过程中的材料耗量波动情况，无法定位工艺问题根源，工艺迭代优化周期延长60%以上。（4）现有qcm技术存在应用空白，无适配钙钛矿体系的低复杂度高适配性耗量计量方案。常规qcm仅用于速率监测，其速率测量存在动态误差：qcm晶体温度漂移会引发频率测量误差、腔体压强变化会改变分子平均自由程与沉积效率，这些动态因素在钙钛矿低温蒸镀场景下的影响尤为显著。现有技术要么采用固定系数计算，耗量偏差超过10%；要么引入过多冗余修正维度，算法复杂度高、对硬件采集要求高，易引发系统运算延迟与稳定性问题，无法适配量产线的高频实时监控需求。

5、上述多项现有技术存在的缺陷，共同制约钙钛矿蒸镀工艺标准化、低成本规模化落地，亟需一套全新的蒸镀材料耗量自动监控方案予以解决。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种钙钛矿太阳能电池蒸镀材料耗量的自动监控方法，克服现有技术存在的缺陷，实现钙钛矿蒸镀工艺标准化以及低成本规模化落地。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种钙钛矿太阳能电池蒸镀材料耗量的自动监控方法，包括以下步骤：

4、（1）获取对应蒸发源与蒸镀材料的基础工具因子，所述基础工具因子为蒸发源总实际耗量与qcm晶体理论沉积质量的比值；

5、（2）在蒸镀过程中，同步采集qcm传感器输出的实时沉积速率、qcm晶体的实时温度以及腔体的实时压强；

6、（3）根据qcm晶体的实时温度计算温度漂移修正系数，根据腔体的实时压强计算腔体压强修正系数；

7、（4）结合所述基础工具因子、蒸镀材料的理论密度、qcm晶体的有效沉积面积以及所述温度漂移修正系数、腔体压强修正系数，得到实时综合转换系数；根据所述实时综合转换系数与所述实时沉积速率，计算得到t时刻蒸发源的材料瞬时总耗量；

8、（5）识别有效蒸发时间段，对所述材料瞬时总耗量在所述有效蒸发时间段内进行定积分运算，实时输出材料累计耗量。

9、本发明提供的自动监控方法充分挖掘qcm传感器的计量能力，针对钙钛矿蒸镀场景的误差来源，建立三维度实时修正模型，剔除冗余修正维度，在保证计量精度的同时大幅降低算法复杂度，通过有效蒸发时间段内的瞬时耗量积分，实现材料耗量的精准、自动、全流程实时监控，从而形成“标定-读取-采集-修正-计算-监控-溯源”的全流程管理方法。

10、基于上述技术方案，本发明彻底解决现有经验估算精度差的问题，实现蒸镀材料耗量±1%以内的精准计量，同时消除监控滞后性，实现蒸镀全过程材料耗量的毫秒级实时自动监控与动态更新，且实现钙钛矿蒸镀工艺全流程数据化、标准化与可溯源，消除人为经验影响，适配产业化扩产；这种低算法复杂度、高稳定性、高适配性的耗量监控方案，无需对现有蒸镀设备进行硬件改造，适配实验室研发、中试及量产全场景应用。

11、优选地，步骤（1）所述基础工具因子通过预标定实验获得，包括以下步骤：

12、（1.1）对洁净的蒸发坩埚进行百万分之一精度称重，记录蒸镀材料的初始质量；

13、（1.2）在标准工艺条件下进行蒸镀，通过qcm采集实时沉积速率并累计得到理论沉积厚度；

14、（1.3）蒸镀完成并冷却后，对坩埚内剩余材料进行称重，计算实际耗量；

15、（1.4）根据实际耗量、蒸镀材料的理论密度、qcm晶体的有效沉积面积与理论沉积厚度，计算单组基础工具因子，计算公式为：

16、

17、式中，k0为基础工具因子，无量纲；m实为实际耗量，单位为g；ρ为蒸镀材料的理论密度，单位为g/cm3；a为qcm晶体的有效沉积面积，单位为cm2；为t1至t2时刻的理论沉积厚度，单位为å；10-8为长度单位转换系数；

18、（1.5）重复3~5组平行实验，对各组基础工具因子取平均值作为最终的基础工具因子，绑定对应材料、蒸发源与设备信息后存入系统数据库。

19、优选地，步骤（3）所述温度漂移修正系数的计算基于at切型石英晶体的频率-温度特性，计算公式为：

20、

21、式中，kt(t)为温度漂移修正系数，无量纲；t0为预标定实验中qcm晶体的标定温度，单位为℃；t(t)为t时刻qcm晶体的实时温度，单位为℃；α、β分别为at切型石英晶体的一阶温度系数和二阶温度系数。

22、优选地，步骤（3）所述腔体压强修正系数的计算基于气体分子动理论与蒸发分子平均自由程-沉积效率关联模型，计算公式为：

23、

24、式中，kp(t)为腔体压强修正系数，无量纲；λ(t)为t时刻蒸发材料分子的平均自由程，单位为m；l为蒸发源中心到qcm晶体表面的垂直距离，单位为m。

25、优选地，所述t时刻蒸发材料分子的平均自由程λ(t)的计算公式为：

26、

27、式中，k为玻尔兹曼常数，取值为1.38×10-23j/k；tg为腔体热力学温度，单位为k；d为蒸发材料分子的有效直径，单位为m；p(t)为t时刻腔体的实时压强，单位为pa。

28、优选地，步骤（4）所述实时综合转换系数的计算公式为：

29、

30、式中，k(t)为t时刻的实时综合转换系数，单位为g/å；k0为基础工具因子，无量纲；kt(t)为温度漂移修正系数，无量纲；kp(t)为腔体压强修正系数，无量纲；ρ为蒸镀材料的理论密度，单位为g/cm3；a为qcm晶体的有效沉积面积，单位为cm2；10-8为长度单位转换系数。

31、优选地，步骤（4）所述材料瞬时总耗量的计算公式为：

32、

33、式中，dm/dt为t时刻蒸发源的材料瞬时总耗量，单位为g/s；k(t)为t时刻的实时综合转换系数，单位为g/å；r(t)为t时刻qcm传感器输出的实时沉积速率，单位为å/s。

34、优选地，步骤（5）所述有效蒸发时间段的识别规则为：

35、当蒸发源温度达到预设蒸发温度、且实时沉积速率稳定在目标速率区间内时，判定为有效蒸发起始时刻t1，自动启动积分累计；

36、当蒸发源停止加热、且实时沉积速率低于预设阈值时，判定为有效蒸发终止时刻t2，自动停止积分累计。

37、优选地，步骤（5）所述材料累计耗量的计算公式为：

38、

39、式中，m为有效蒸发时间段内的材料累计耗量，单位为g；dm/dt为t时刻蒸发源的材料瞬时总耗量，单位为g/s；k(t)为t时刻的实时综合转换系数，单位为g/å；r(t)为t时刻qcm传感器输出的实时沉积速率，单位为å/s。

40、优选地，所述蒸镀材料包括pbi2、fai、mai或csbr中的至少一种。

41、优选地，所述自动监控方法用于单源蒸镀或多源共蒸，且在多源共蒸时，对每个蒸发源分别独立执行基础工具因子调用、数据采集、修正系数计算、瞬时耗量计算与累计耗量监控。

42、优选地，在蒸镀工艺完成后，将本次工艺的耗量时序数据、速率时序数据、修正系数时序数据、腔体环境参数、蒸发源温控参数、预设工艺参数以及批次信息加密归档至数据库，支持按批次编号、时间、设备编号调取与对比分析。

43、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

44、（1）本发明消除了钙钛矿蒸镀过程中的系统固有误差与动态误差，材料耗量监控精度可达±1%以内，远优于现有经验估算±15%的偏差，彻底解决了传统方式耗量计量不准的问题，为膜厚一致性管控提供了精准的数据支撑。

45、（2）本发明实现蒸镀过程中耗量的毫秒级实时更新，可完整捕捉蒸镀全周期的材料耗量动态变化过程，彻底消除了传统事后称重的监控滞后性，可为材料升华特性研究、工艺参数优化提供全流程量化数据支撑。

46、（3）本发明的耗量计量完全量化、自动化，彻底消除了人为经验的影响，工艺可实现跨设备、跨产线的1:1标准化复制，大幅降低产业化扩产的技术门槛；全量工艺数据自动归档，可实现全流程溯源，膜层性能异常时可快速定位工艺根源，工艺迭代优化周期缩短60%以上。

47、（4）本发明可精准计量材料实际耗量，无需预留过量安全余量，材料利用率从现有不足60%提升至90%以上，钙钛矿原材料成本降低30%以上；同时减少了材料反复高温加热带来的分解与腔体污染，延长了腔体维护周期，进一步降低了量产运营成本。

48、（5）本发明剔除冗余修正维度，算法复杂度大幅降低，对硬件采集与运算能力的要求显著下降，系统稳定性大幅提升；可适配单源蒸镀、多源共蒸等所有钙钛矿蒸镀工艺，兼容所有钙钛矿材料体系，适配实验室小试设备、中试线、量产线的所有设备型号；无需对现有蒸镀设备进行硬件改造，仅需升级控制系统软件即可实现，产业化落地周期短、成本极低。