台罡钙钛矿涂布机如何解决钙钛矿薄膜均匀性问题

钙钛矿涂覆设备因采用刮刀式涂覆工艺，又叫钙钛矿刮刀涂布机。

钙钛矿涂布机通过可调控的刮刀装置将钙钛矿溶液均匀涂布于基材表面。

在涂布工艺中，成膜厚度的关键参数由三要素共同决定：刮刀与基底的缝隙间距、液态材料的流体粘稠度以及溶液体系的界面张力特性。

在涂布时，先将预处理基片固定于载物台，然后定量滴注前驱液，最后驱动刮刀模块进行匀速平移，由此在基材界面形成均匀的纳米级薄膜。

钙钛矿前驱液固含量、刮刀行进速率、溶剂挥发效率等工艺参数形成动态耦合关系，会影响薄膜的晶体取向与表面平整度。

在此过程中，可实现钙钛矿光电器件亚微米级膜厚调控。

相较于旋涂工艺，刮刀涂覆技术的原料利用率提升60%以上，单位面积制造成本降低45%。

刮刀式涂覆工艺在钙钛矿光伏组件制造中具有独特的多层沉积能力，可用于在钙钛矿太阳能电池堆叠结构中沉积包括钙钛矿吸收层、空穴传输层和电子传输层在内的多种层。

但实现产业化应用仍需突破关键技术瓶颈——钙钛矿前驱体溶液的流变学特性与大气环境加工的适配性优化。

要在露天条件下实现最佳的涂布效果，需要优化溶液浓度、涂布速度、刮刀几何形状和基底温度等参数。

这些参数的变化会影响薄膜的形貌、结晶度和器件性能。

平板型钙钛涂布机

下面我们将通过介绍添加添加剂、进行溶剂工程以及利用二维钙钛矿来分析刮刀涂布机的区别。

一、气刀辅助钙钛矿层结晶在沉积钙钛矿层后，仔细控制干燥过程对于获得结晶良好的钙钛矿薄膜。

与实验室规模的旋涂法不同，大规模生产过程中可能会出现溶剂不受控蒸发的情况，导致薄膜结晶不良。

在气刀辅助沉积方法中，在通过刮刀涂布沉积钙钛矿层后，立即以恒定压力沿基底移动方向通入氮气。

气流有助于动态去除溶剂分子，促进形成结晶度更高的钙钛矿层。

二、通过添加剂进行界面工程钙钛矿太阳能电池由多个层组成，顶层的保护对于电池的整体稳定性，如果该层保护不足，可能会导致器件分层。

为防止此类问题，印刷太阳能电池的顶层必须具有足够的刚性，以抵抗空气和湿气的渗透。

下方展示了使用刮刀涂布法制造钙钛矿太阳能电池的过程。

采用 p-i-n 结构，使用刮刀法依次涂覆空穴传输层、钙钛矿层和电子传输层。

疏水性的聚（乙烯 - 醋酸乙烯酯）（EVA）被掺入电子传输层的苯基 - C61 - 丁酸甲酯（PCBM）中，改善了顶层的形貌，并作为水和氧气的屏障。

同时，添加剂会影响 PCBM 的分布，还会导致 zeta 电位发生显著变化。

EVA 添加剂进一步阻止了卤离子通过电子传输层的扩散，如图所示。

结果，刮刀涂布的器件实现了 19.32% 的光电转换效率（PCE），在52% 湿度环境条件下储存 1500 小时后，其初始效率保持了 80%，且无需封装。

图（a）添加乙烯 - 醋酸乙烯酯（EVA）添加剂后对 PCBM（苯基 - C61 - 丁酸甲酯）分子堆积顺序调控的示意图。

（b）使用 PCBM-EVA 电子传输层（ETL）的钙钛矿太阳能电池（PSC）示意图，突出显示了其改善的电荷转移能力、增强的防水氧阻隔性能以及减少的离子迁移。

（c）含有 EVA 添加剂的刮刀涂布 PCBM 缓冲层示意图。

（d）基于 PCBM 电子传输层且效率最佳的大面积钙钛矿太阳能电池模块的电流密度 - 电压（J-V）曲线。

三、在刮刀涂布法中使用 100% 二甲基亚砜（DMSO）可以实现与传统溶剂混合物制备的钙钛矿薄膜几乎相同的效率。

单独使用 DMSO 可以有效地促进钙钛矿薄膜的结晶，在非惰性条件下也能产生与传统溶剂组合。

在露天条件下，DMSO 作为单一溶剂可能比以前认为的更能有效地促进钙钛矿结晶。

使用少量六氟苯对工艺进行微调时，在空气中刮刀涂布的钙钛矿太阳能电池效率达到20.7%。

四、二维钙钛矿作为保护层人们还开发了一些策略来增强钙钛矿层的刚性，以提高其在露天条件下的耐久性。

比如增加烷基铵链的长度可使钙钛矿层更具疏水性。

尽管这种疏水性增强了该层在露天条件下的稳定性，但也带来了电绝缘方面的挑战，限制了二维钙钛矿在完整器件构建中的应用。

使用二维钙钛矿作为体相钙钛矿上的保护层已被认为是提高钙钛矿太阳能电池稳定性和增强其将收集到的光转化为电能效率的一种有前景的方法。

研究表明，将二维钙钛矿与三维钙钛矿集成可以显著提高太阳能电池的性能，利用两种材料的优势来制造更稳定、高效的器件。