镀膜工艺为钙钛矿电池生产核心工艺,包括湿法工艺和干法工艺。在钙钛矿电池生产过程中载流子传输层、钙钛矿层、导电层、背电极的沉积均会涉及到镀膜工艺。
湿法工艺
湿法镀膜包括刮涂、狭缝涂布、丝网印刷、喷涂、喷墨打印等。
刮刀涂布法:是一种以刮刀拖动溶液在衬底上快速移动成膜的方法,所制备的膜层厚度由溶液浓度、刮板与基底缝隙宽度和刮涂的速度决定;
狭缝涂布法:是一种在一定压力下,将溶液沿着模具缝隙压出并转移到基材上的涂布技术,狭缝涂布通过控制系统狭缝宽度、移动速度和输液速度的调整,对薄膜质量进行更精细化的调控;
相比刮涂和狭缝涂布,丝网印刷法通过丝网的数目和厚度调整制备薄膜的厚度;
喷涂和喷墨打印法:喷涂法和喷墨打印法是通过在喷头内部施加压力的方法将钙钛矿前驱体溶液从喷头内挤出并在基底上成膜的技术,喷涂法常用的喷头有高压气喷头和超声喷头等,而喷墨打印法是利用喷头压电材料形变将溶液挤出。
干法工艺
真空蒸镀法:加热膜材使表面组分以原子团或分子团形式被蒸发出来,并沉降在基片表面形成薄膜;
PVD真空蒸镀法用高能等离子体轰击靶材,并使表面组分以原子团或离子形式被溅射出来,并沉积在基片表面,经历成膜过程,最终形成薄膜;
RPD 反应等离子体沉积:利用等离子体将固体膜材进行气化、离解,膜材以离子形式扩散到衬底表面并反应成膜,相较 PVD 磁控溅射,膜材靠等离子体的热能使之气化并以离子扩散到衬底表面,衬底的轰击作用更弱;
ALD原子层沉积:将物质材料以单原子膜的形式基于化学气相一层一层的沉积在衬底表面的技术。
钙钛矿电池不同层制备工艺选择
1.钙钛矿层
目前制备钙钛矿层通常采用溶液涂布法、蒸镀法和涂布+蒸镀法。
溶液涂布(如狭缝涂布)工艺简单、设备廉价、效率和稳定性较高,但膜层厚度和均匀性不好控制,并且存在溶剂回收问题,可分为一步法和两步法,以 CH3NH3PBI3 钙钛矿材料为例,一步法将 PBI2 和有机铵盐溶解于溶剂中,形成钙钛矿前驱体溶液,再涂布制备钙钛矿薄膜,两步法先涂布 PBI2 溶液制备 PBI2 薄膜,再涂布有机铵盐溶液,反应生产钙钛矿薄膜。
蒸镀法制备的钙钛矿薄膜具有无孔、致密、均匀性好、缺陷少等特点,但效率较低,并且原材料利用率较低。
涂布+蒸镀法(气相辅助溶液法)是在二步溶液涂布法基础上,将其中一次膜层沉积方式改变成蒸镀法,从而在提升生产效率的同时又保证了成膜质量。
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