一种适用于制备钙钛矿薄膜的真空闪蒸及退火集成系统

1.本发明涉及太阳能电池技术领域，具体地说是一种适用于制备钙钛矿薄膜的真空闪蒸及退火集成系统。


背景技术：

2.太阳能是取之不尽、用之不竭的能源，既清洁环保，又无需运输，是21世纪最重要的新能源之一。太阳能电池是一种将光能转换为电能的半导体光电器件，在能源转化领域具有重要研究价值。钙钛矿电池是一种新型全固态薄膜太阳能电池，它主要由透明导电基板、电子传输层、有机-无机复合钙钛矿、空穴传输层和背电极组成。其工作过程如下：首先钙钛矿层吸收太阳光后产生电子(e-)与空穴(h

)；e-扩散到电子传输层界面时被迅速注入其导带中，然后经导电基底导入外电路；h

被空穴传输层传输到背电极，最终于外电路中的e-复合，从而形成一个完整的电流循环。由于研究者对钙钛矿电池各个功能层的不断优化，钙钛矿电池发展迅速，其光电转换效率在短短几年内迅速增长到25％以上，已满足产业化基本要求。闪蒸技术是指将钙钛矿湿膜放置在密闭空间内，迅速抽真空，使溶剂快速挥发以控制薄膜的成核结晶和生长，是制备钙钛矿薄膜的重要技术之一，尤其在大面积器件制备方面具有重要意义。然而传统闪蒸技术需要高质量的真空泵实现迅速降低体系压力目的，对设备成本要求高，限制了闪蒸技术的应用。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种适用于制备钙钛矿薄膜的真空闪蒸及退火集成系统，将真空泵组、预真空腔和控温系统同时引入钙钛矿薄膜制备系统，有利于降低对泵组的要求，有利于实现钙钛矿薄膜一体化制备，在降低成本的同时将进一步拓宽闪蒸技术的应用。
4.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
5.一种适用于制备钙钛矿薄膜的真空闪蒸及退火集成系统，包括真空腔、温控系统和抽真空系统，其中所述温控系统包括温度传感器、冷却组件和加热组件，所述真空腔的腔壁内设有中空的夹层，且所述冷却组件和加热组件均设于所述夹层中，所述真空腔内的温度通过所述温度传感器实时监测，所述真空腔一侧设有带第一阀门的端管路，所述真空腔内通过所述抽真空系统抽真空，并且所述真空腔上设有第一真空计。
6.所述抽真空系统包括预真空腔、一级真空泵、二级真空泵和多个管路，其中所述真空腔通过设有第二阀门的第一管路与所述预真空腔相连，在所述预真空腔上设有第二真空计，所述真空腔下侧分别引出第二管路和第三管路与所述预真空腔相连，且所述第二管路上依次设有第三阀门和第四阀门，所述第三管路上依次设有第六阀门和第七阀门，第四管路一端与所述第三阀门和第四阀门之间的第三管路相连，另一端与所述第六阀门和第七阀门之间的第四管路相连，在所述第四管路上依次设有一级真空泵、第五阀门、第三真空计和二级真空泵。
7.所述真空腔下侧位于所述冷却组件和加热组件之间的中部位置分别引出所述第
二管路和所述第三管路。
8.薄膜制备时，所有阀门关闭，先打开第一阀门，并且真空腔温度通过温控系统调节至设定温度，然后打开第七阀门并开启一级真空泵，当第二真空计显示压力为设定值以下时，关闭第七阀门并打开第五阀门，当第四管路上的第三真空计也显示压力为设定值以下时，开启二级真空泵并打开第四阀门，然后将带有湿膜的衬底放入所述真空腔中，关闭第一阀门并在设定时间内逐渐打开第二阀门。
9.薄膜制备时，所有阀门关闭，先打开第一阀门，并且真空腔温度通过温控系统调节至设定温度，关闭第一阀门并打开第六阀门，一级真空泵启动，等第一真空计显示压力达到设定值以下时，再打开第三阀门和第五阀门，二级真空泵启动。
10.所述抽真空系统包括一级真空泵和第一管路，所述真空腔通过第一管路与所述一级真空泵相连，且所述第一管路上设有第二阀门。
11.薄膜制备时，所有阀门关闭，先打开第一阀门，并且真空腔温度通过温控系统调节至设定温度，第二阀门保持关闭状态并开启所述一级真空泵，然后将带有湿膜的衬底放入所述真空腔中，关闭第一阀门并打开第二阀门。
12.所述抽真空系统包括预真空腔和一级真空泵，所述真空腔通过设有第二阀门的第一管路与所述预真空腔连接，所述预真空腔通过设有第八阀门的第五管路与所述一级真空泵相连，所述预真空腔上设有第二真空计。
13.薄膜制备时，所有阀门关闭，先打开第一阀门，并且真空腔温度通过温控系统调节至设定温度，再打开第八阀门并开启一级真空泵，当所述第二真空计显示压力为设定值以下时，将带有湿膜的衬底放入所述真空腔中，关闭第一阀门并打开第二阀门。
14.本发明的优点与积极效果为：
15.1、本发明将真空闪蒸系统和薄膜加热退火系统结合起来，可以利用温控系统控制真空闪蒸的温度，还可实现真空条件下退火制备，闪蒸与退火两步之间不需要破空过程。
16.2、本发明将真空泵组和预真空腔引入钙钛矿薄膜制备系统，可以满足真空泵组对前级压强的要求，降低闪蒸系统对真空泵抽气速率的要求，真空泵组也可以降低体系的极限压力。
17.3、本发明可以对真空泵组和预真空腔进行组合使用，在对真空腔抽真空时，可以采用一级真空泵和二级真空泵先对预真空腔抽真空，然后利用处于真空状态的预真空腔对真空腔抽气，也可以采用一级真空泵和二级真空泵直接对真空腔抽气，或者只采用一级真空泵对真空腔抽气，或者可以采用预真空腔和一级真空泵配合抽气，组合灵活，能够充分满足制备需要。
18.4、本发明设计的集成系统优于常规的闪蒸设备，可以更加明显的提高器件性能和良率。
附图说明
19.图1为本发明实施例一的结构示意图，
20.图2为本发明实施例二的结构示意图，
21.图3为本发明实施例三的结构示意图。
22.其中，101为第一阀门，102为第二阀门，103为第三阀门，104为第四阀门，105为第
五阀门，106为第六阀门，107为第七阀门，108为第八阀门，201为温度传感器，202为冷却组件，203为加热组件，301为真空腔，302为预真空腔，401为第一真空计，402为第二真空计，403为第三真空计，501为二级真空泵，502为一级真空泵。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明作进一步详述。
24.如图1～3所示，本发明包括真空腔301、温控系统和抽真空系统，其中所述温控系统包括温度传感器201、冷却组件202和加热组件203，所述真空腔301的腔壁内设有中空的夹层，所述冷却组件202和加热组件203设于所述夹层中，本发明即通过所述冷却组件202和加热组件203控制真空腔301内温度，并通过所述温度传感器201实时监测真空腔301内温度情况，所述真空腔301一侧设有端管路，且所述端管路上设有控制管路通断的第一阀门101，所述真空腔301内通过所述抽真空系统抽真空，并且所述真空腔301上设有第一真空计401实时监测腔内真空度情况。
25.本发明采用的真空计可以为热电阻真空计、电离真空计等，其可以准确监测真空腔室的真空度，采用的阀门可以为闸板阀、蝶阀等，其可以控制气体流量。所述真空计和阀门均为本领域公知技术且为市购产品。
26.本发明的冷却组件202可采用蒸汽式压缩制冷、蒸汽吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷、吸附式制冷、热电制冷、磁制冷、声制冷等制冷方式的装置，加热组件203可采用内置加热丝、激光加热、红外加热、钨灯加热等加热方式的装置，所述冷却组件202和加热组件203均为本领域公知技术且为市购产品。
27.本发明的抽真空系统可根据不同需要配置不同结构。
28.实施例一：
29.如图1所示，本实施例中，所述抽真空系统包括预真空腔302、一级真空泵502和二级真空泵501，其中所述真空腔301通过第一管路与所述预真空腔302相连，在所述第一管路上设有第二阀门102，在所述预真空腔302上设有第二真空计402，所述真空腔301下侧位于所述冷却组件202和加热组件203之间的中部位置分别引出第二管路和第三管路与所述预真空腔302相连，且所述第二管路上依次设有第三阀门103和第四阀门104，所述第三管路上依次设有第六阀门106和第七阀门107，所述第二管路和第三管路之间设有第四管路，且所述第四管路一端与所述第三阀门103和第四阀门104之间的第三管路相连，另一端与所述第六阀门106和第七阀门107之间的第四管路相连，在所述第四管路上依次设有一级真空泵502、第五阀门105、第三真空计403和二级真空泵501。本实施例中，二级真空泵501适用于高真空使用，一级真空泵502适合低真空使用。
30.本实施例中采用一级真空泵501、二级真空泵502和预真空腔301共同使用对真空腔301抽气，其工作原理如下：
31.1、薄膜制备。
32.关闭所有阀门，先打开第一阀门101，并通过温控系统中的加热组件203将真空腔301温度调节至40℃，然后打开第七阀门107并开启一级真空泵502，一级真空泵502开始对所述预真空腔302抽真空，等到预真空腔302上的第二真空计402显示压力为10pa以下时，关闭第七阀门107，并打开第五阀门105，一级真空泵502先对第四管路内抽真空，等第四管路
上的第三真空计403也显示压力为10pa以下时，开启二级真空泵501，并打开第四阀门104，此时一级真空泵502和二级真空泵501共同作用，直到所述预真空腔302上的第二真空计402显示压力为10-4
pa以下时，保持真空泵组开启状态系统压力不变，备用。
33.然后采用刮涂技术进行钙钛矿湿膜的涂敷，并将带有湿膜的衬底放入所述真空腔301中，关闭第一阀门101，并在10秒内逐渐打开第二阀门102，此时所述真空腔301上的第一真空计401显示真空腔301内压力不断降低，促使溶剂快速挥发，促进钙钛矿结晶形核，形成高质量稳固的钙钛矿中间相。
34.本实施例也可以直接对真空腔301抽真空，将带有湿膜的衬底放入所述真空腔301后，关闭所有阀门，先打开第一阀门101，并通过温控系统中的加热组件203将真空腔301温度调节至40℃，关闭第一阀门101，打开第六阀门106，一级真空泵502直接对真空腔301抽真空，此时第一真空计401显示系统压力不断降低，达到10pa以下时，再打开第三阀门103和第五阀门105，二级真空泵501和一级真空泵502共同作用，第一真空计401显示真空腔301内系统压力进一步降低，也可以形成高质量稳固的钙钛矿中间相。
35.2、退火。
36.保持真空泵组开启，并通过温控系统调节真空腔301的温度，根据钙钛矿组成成分和衬底的组成调节退火温度，比如针对高分子材料像pet等，mapbi3体系的薄膜设定温度为100℃，fapbi3体系的设定温度为110℃。针对耐温高分子材料(像pi等)和金属柔性衬底，fapbi3体系的设定温度可以调整为160℃。退火完成后采用冷却组件202迅速降低真空腔301内的温度至室温。
37.实施例二：
38.如图2所示，本实施例与实施例一的区别在于：省去了预真空腔302和二级真空泵501，此时所述真空腔301直接通过设有第二阀门102的第一管路与所述一级真空泵502相连。
39.本实施例在进行上述步骤1薄膜制备时，关闭所有阀门，打开第一阀门101，通过温控系统将真空腔301温度调节至40℃，第二阀门102保持关闭状态并开启所述一级真空泵502，保持系统不变，备用。采用刮涂技术进行钙钛矿湿膜的涂敷，将带有湿膜的衬底放入所述真空腔301中，关闭第一阀门101，打开第二阀门102，此时在所述一级真空泵502作用下，第一真空计401显示系统压力不断降低，促使溶剂快速挥发，也可以形成高质量稳固的钙钛矿中间相。
40.本实施例退火过程与实施例一相同。
41.实施例三：
42.如图3所示，本实施例与实施例一的区别在于：省去了二级真空泵501，此时所述真空腔301通过设有第二阀门102的第一管路与所述预真空腔302连接，所述预真空腔302则通过设有第八阀门108的第五管路直接与所述一级真空泵502相连。
43.本实施例在进行上述步骤1薄膜制备时，关闭所有阀门，打开第一阀门101，通过温控系统将真空腔301温度调节至40℃，打开第八阀门108，并开启一级真空泵502，等到所述预真空腔302上的第二真空计402显示压力为10pa以下时，保持系统不变，备用。采用刮涂技术进行钙钛矿湿膜的涂敷，将带有湿膜的衬底放入所述真空腔301中，关闭第一阀门101，打开第二阀门102，此时真空腔301上的第一真空计401显示真空腔301内系统压力不断降低，
促使溶剂快速挥发，也可以形成高质量稳固的钙钛矿中间相。
44.上述各个实施例中，实施例一效果最好。