一种长短唇结构气刀及利用该气刀制备钙钛矿薄膜的方法

技术领域

本发明属于太阳能电池薄膜制备领域，具体涉及一种长短唇结构气刀及利用该气刀制备钙钛矿薄膜的方法。

背景技术

在光伏领域，钙钛矿太阳能电池以其具有钙钛矿结构的有机-金属卤化物作为光吸收材料，引起了光伏界的广泛关注。近年来，钙钛矿太阳能电池的转换效率取得了显著提高。目前，在实验室条件下，制备的小面积(0.1cm

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种适用于钙钛矿薄膜刮涂领域高性能的长短唇气刀结构及其控制方法，该方法通过修正长短唇气刀结构的长短唇差以及切削长唇顶并控制气刀与基底之间的距离以及气刀的偏转角，在保证薄膜高效高质量结晶的强风场的整体强度为1.5m/s至5.5m/s的前提下，充分地降低弱风场的作用范围，提高钙钛矿薄膜质量。

根据本发明的一个方面，本发明首先提供一种长短唇结构气刀，所述气刀包括气刀本体，所述气刀本体顶一端上下两边分别设置有长刀唇和短刀唇，所述气刀本体、长刀唇和短刀唇合围形成气刀腔体，所述长刀唇和短刀唇之间形成出气口，所述长刀唇顶部具有切削结构，所述长刀唇和短刀唇的唇差为2-6mm。

进一步地，所述长刀唇和短刀唇的唇差为4mm。

根据本发明的一个实施方式，所述长刀唇顶部切削结构的切削角度为45-75度。

根据本发明的一个实施方式，所述长刀唇的顶部除去所述切削结构外还具有切削剩余结构，所述切削剩余结构具有0.25-1.25mm的切削剩余长度。

根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种利用上述气刀制备钙钛矿薄膜的方法，包括以下步骤：

S1：将钙钛矿溶液涂敷在基底表面形成钙钛矿液膜，并将钙钛矿液膜无接触式地置于所述气刀下方；

S2：向所述气刀中的吹气通道通入气流，使气流在出气口出来后首先沿着气刀的长短唇贴壁移动，在长唇顶处产生向短唇方向的扩散气流，所述扩散气流随着气刀的移动对钙钛矿液膜进行干燥，干燥完毕后得到钙钛矿薄膜。

根据本发明的一个实施方式，在步骤S1中，采用刮涂、刷涂或涂布之一的方式将钙钛矿前驱体溶液涂敷在基底表面。

根据本发明的一个实施方式，在步骤S2中，所述扩散气流随着气刀的移动对钙钛矿液膜进行干燥时，使气刀在轴向上相对于基底偏移，逐渐增大气刀相对于基底的偏转角，使得气刀在基底的作用点偏移，所述偏转角为5-30°，能够在保证强风场强度范围前提下，进一步削减弱弱风场的作用范围。

根据本发明的一个实施方式，所述偏转角为5-25°。

根据本发明的一个实施方式，在步骤S1中，气刀与基底的距离保持在0.1mm-0.3mm。

根据本发明的一个实施方式，通过驱动所述气刀的偏转轴带动气刀偏转以增大气刀相对于基底的偏转角。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

(1)本发明首先通过对气刀整体结构的改进，可以在保证特征强风场强度与作用范围满足薄膜高效高速干燥要求的前提下，使得吹气过程中产生的弱风场范围从11mm衰减到2.52mm。

(2)本发明还通过在薄膜干燥过程中对该结构高性能长短唇气刀实施偏转控制以及调节其与基底之间的送风距离，能够进一步降低弱风场的作用范围到1mm，从而大幅提高薄膜的结晶质量和致密性。

附图说明

图1为气刀内部结构以及顶部结构示意图。

图2为气刀顶部结构在仿真软件内的示意图。

图3为气刀顶部形成的强弱风场示意图。

图4为实施例1-2强弱风场在基底作用范围大小随长短唇差变化模拟图

图5为实施例1和实施例3强弱风场随气刀长唇顶保留长度变化情况

图6为实施例4强弱风场随气刀顶与基底之间的距离变化情况

图7为实施例5强弱风场随气刀偏转角变化情况

图8为实施例1-2强弱风场在基底作用范围大小随长短唇差变化数据图

图9为实施例2强弱风场在基底作用范围大小随气刀长唇顶保留长度变化情况

图10为实施例4强弱风场在基底作用范围大小随气刀顶与基底之间的距离变化情况

图11为实施例5强弱风场在基底作用范围大小随气刀偏转角变化情况

图12为实施例1制备得到的薄膜SEM图。

图13为实施例3a制备得到的薄膜SEM图。

图14为实施例5c制备得到的薄膜SEM图。

附图标记如下：1.气刀长短唇差，2水平基底，3气刀长唇顶切削角度，4长唇顶切削后保留长度区域，5气刀偏转角，6气刀出风口，7气刀长唇顶与基底之间的距离，8弱风场作用区域，9强风场作用区域。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

该气刀顶部结构如图1和图2所示，1为气刀长短唇差，2为水平基底，3为气刀长唇顶切削角度，4为长唇顶切削后保留区域，5为气刀偏转角，6为气刀出风口，7为气刀长唇顶与基底之间的距离。

该结构气刀在基底处形成的气流场基本分布如图3所示，灰色部分8为弱风场作用区域，黑色部分9为强风场作用区域。

在高性能长短唇气刀结构的改进上，通过在气刀出气口两端设置一定长度的长短唇差，使气流在出气口出来后首先沿着长短唇差贴壁移动，在长唇顶处产生向短唇方向的一定角度的扩散气流，从而增大强风场的作用范围。以下为具体实施例：

实施例1

本实施例首先提供一种长短唇结构气刀，所述气刀包括气刀本体，所述气刀本体顶一端上下两边分别设置有长刀唇和短刀唇，所述气刀本体、长刀唇和短刀唇合围形成气刀腔体，所述长刀唇和短刀唇之间形成出气口，所述长刀唇和短刀唇的唇差为2mm，长刀唇顶部具有切削结构和切削剩余结构，其中切削结构的切削角度为45°，切削剩余结构则具有0.25mm的切削剩余长度。

制备薄膜时，首先将钙钛矿溶液涂敷在水平基底表面形成钙钛矿液膜，保证钙钛矿液膜的厚度≤5000nm，然后利用水平支架将该结构气刀固定置于水平基底上方，向气刀内部腔室通入高压氮气，氮气流在气刀出风口出来后首先沿着气刀的长短唇贴壁移动，在长唇顶处产生向短唇方向的扩散气流，该扩散气流与基底上的液膜碰撞并随着气刀的不断移动对整个钙钛矿液膜进行干燥，干燥完毕后得到钙钛矿薄膜。本实施例1制备钙钛矿薄膜形貌如图12所示，钙钛矿薄膜表面平整光滑，晶粒大小基本均匀且致密紧凑。

实施例2

实施例2a：与实施例1不同的是，长刀唇和短刀唇的唇差为4mm。

实施例2b：与实施例1不同的是，长刀唇和短刀唇的唇差为6mm。

图4为实施例1-2强弱风场范围大小随长短唇差变化情况的模拟图。

在唇差为4mm时可以在保证强风场作用范围为5.8mm的前提下，使弱风场范围衰减从11.5mm衰减至10.2mm，如图8所示。当唇差小于2mm或大于6mm时，强风场的范围过小，不利于薄膜的均匀性和结晶过程。

实施例3

实施例3a：与实施例1不同的是，长刀唇顶部的切削角度为60°，切削剩余长度为0.75mm。

实施例3b：与实施例1不同的是，长刀唇顶部的切削角度为75°，切削剩余长度为1.25mm。

如图5所示，不断增大长唇顶切削剩余长度后，强风场作用范围基本不变；在剩余长度到达0.75mm时可以在保证强风场作用范围为5.66mm的前提下，使弱风场范围衰减从5.8mm衰减至2.52mm，如图9所示。

本实施例3a制备钙钛矿薄膜形貌如图13所示，钙钛矿薄膜表面平整光滑，晶粒大小基本均匀且致密紧凑，而且整体平整度良好。

实施例4

实施例4a：与实施例3a的不同之处在于，减小气刀距离基底的距离至0.1mm，控制唇差区域对于风场的阻挡作用，减小弱风场的作用范围。

实施例4b：与实施例3a的不同之处在于，增大气刀与基底之间的距离至0.3mm。

如图6，图10所示，当在0.3mm的基础上再进一步增大气刀与基底之间的距离时，强风场作用范围逐渐变小，弱风场作用范围会不断增大，因此当气刀与基底的距离小于0.1mm和大于0.3mm时，强弱风场的作用范围均不太理想，以0.2mm为最佳距离。

实施例5

实施例5与实施例3a的不同之处在于，在薄膜的干燥过程中通过逐渐增大气刀的偏转角，使得气刀在基底薄膜的作用点偏移，在较小程度削弱强风场强度范围前提下，持续削减弱风场的作用范围。

其中实施例5a-5c的偏转角分别为5°、15°、25°，如图7所示。

在偏转角进一步到达30°时，弱风场作用范围的减小仍然可观，如图11所示，但当大于30°时，强、弱风场的作用范围均下降得过于太快，不利于薄膜成形。本实施例5c制备钙钛矿薄膜形貌如图14所示，钙钛矿薄膜表面平整光滑，晶粒大小基本均匀且致密紧凑，而且整体平整度良好。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。