一种叠式喷墨打印制造钙钛矿太阳能电池器件的设备的制作方法

1.本发明涉及光电器件制造技术领域，具体涉及一种高精度喷墨打印制造结构钙钛矿太阳能电池器件的设备。


背景技术：

2.目前，现有技术中已经出现了通过喷墨打印机制备钙钛矿基薄膜太阳能电池的技术方案，如中国专利申请授权公告号：cn103956407b于2017年6月6日公开授权的制备钙钛矿基薄膜太阳电池的方法及喷墨打印机，公开了喷墨打印机包括台板、打印部件、驱动系统、台板加热系统、上部加热系统、控制系统等，其中驱动系统驱动所述打印头和/或所述台板进行平移。而其实施例中提出了驱动系统用于驱动打印头和/或台板进行平移，控制系统配置成控制所述驱动系统驱动打印头和/或台板平移的距离，其转换效率最高仅有7.1％。2014年杨世和课题组和2015年宋延林课题组也分别采用了喷墨打印技术实现钙钛矿太阳能电池的制备，同样由于没有对喷墨墨点精度进行控制，导致转换效率普遍较低，目前这些团队已基本放弃或停止研究喷墨打印钙钛矿太阳能电池的工艺。
3.在实际试制时发现，上述喷印系统除了精度偏低，对喷印墨点的轨迹和受力等都没有进行控制，而是通过事后加热来弥补这些缺陷，通过专业的仪器手段观察发现由于没有对墨点的品质进行控制，被加工工件的水平移动(或倾斜)导致墨点在喷印后产生了移动、变形(有椭圆形，线性状、甚至是发散状气泡等形状)，很多区域喷印的墨水缺失，形成空穴、气泡等缺陷，导致这些区域的钙钛矿组织在微观局部无法实现钙钛矿太阳能的光电转换，对比观察加热发现这种纠偏手段，虽然会在某些局部区域弥补缺陷，但是热融化也会对某些正常工作的微观区域产生结构的破坏。同时观察还发现钙钛矿电池的基体没有喷墨纸张较强的吸附能力，喷印过程中工件的进给和切换工序时的水平移动更容易导致喷印墨点的移动、变形甚至产生发散、形成气泡，严重影响了喷印的质量。


技术实现要素：

4.针对上述喷印系统存在的缺陷导致钙钛矿太阳能电池制备转换效率低下的问题，我们提出了本发明，其目的在于：
5.一、设计一种叠式喷墨打印制造钙钛矿太阳能电池器件的设备，通过叠式工位，使产品仅在垂直范围内移动，在钙钛矿电池的基体上的喷印墨点不会因工件左右前后移动而发生形变、移位、甚至发散、产生气泡、空穴等，从而保证墨点均匀地分布在加工件表面，从极小的微观结构来保证钙钛矿电池的光电转换和电荷传输特性。
6.二、设计一种叠式喷墨打印制造钙钛矿太阳能电池器件的设备，通过叠式结构设计省去了平移、转件等工序及空间，可较大幅度提高钙钛矿电池的加工和转件效率，缩短工件制备周期，增加整体制备效率。
7.三、垂直叠式设计可以保证加工定位的一致性，有利于满足钙钛矿电池加工过程中各功能层材料工艺的差异化要求。
8.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种叠式喷墨打印制造钙钛矿太阳能电池器件的设备包括：
9.支架，用于为各类单元提供安装位；
10.进料单元，用于将置于固定盘上的待加工工件进料至加工单元；
11.加工单元，包括若干加工模块，若干所述的加工模块垂直层叠布置；
12.出料单元，用于将置于固定盘上的成品工件从加工单元处出料；
13.垂直高度调整单元，用于将固定盘提升到指定的加工模块处并固定固定盘到预设的加工工位；
14.总控制单元，用于控制进料单元、加工单元、出料单元和垂直高度调整单元的动作；
15.垂直高度调整单元包括提升装置和定位装置，提升装置用于将代加工工件提升至下一加工单元，定位装置用于将加工工件定位在加工单元的加工位上。
16.通过叠式的加工位设计，使产品在垂直范围内移动。在加工过程中，钙钛矿电池的基体上的喷印墨点不会因为垂直移动发生形变，从而大幅提升钙钛矿电池产品的效率和品质。
17.可选的，上述提升装置为剪叉式提升装置，安装在支架上，用于将固定盘依次提升至上一加工单元中；
18.上述定位装置安装在支架上，与加工单元一一对应，用于将固定盘固定在指定加工位置上。
19.剪叉式提升装置相对于现有的气缸提升等装置，其提升时产生的震动更小。在安装时下轨道精准找平后，提升时被提升的物件不易因为提升速度不均匀产生歪斜,使其始终处于水平状态。
20.可选的，加工模块分别为：
21.底电极加工单元，其侧边有与进料单元配合的入料口，采用激光刻蚀加工工艺；
22.空穴传输层加工单元，采用喷墨打印工艺加工空穴传输层；
23.钙钛矿层加工单元，采用喷墨打印工艺加工钙钛矿层；
24.电子传输层加工单元，采用喷墨打印工艺加工电子传输层；
25.顶电极加工单元，采用pvd蒸镀加工工艺，其侧边有与出料单元配合的出料口，
26.底电极加工单元、空穴传输层加工单元、钙钛矿层加工单元、电子传输层加工单元、顶电极加工单元在垂直方向上依次排列。
27.选用本结构可以加工nip或pin型钙钛矿太阳能电池器件。
28.n-i-p结构是制备高性能钙钛矿光伏器件应用最广泛的结构之一。n-i-p结构包括：导电玻璃电极(ito或者fto)、电子传输层(etl，如tio2、sno2或al2o3层组成)、300-500纳米厚的钙钛矿层、空穴传输层(htl，spiro-ometad)和50-100纳米厚的金属电极(au，al，ag)。
29.而在p-i-n结构中，htl层在钙钛矿下方。p型半导体聚合物，比如pedot:pss，覆盖在ito/fto导电基底上，厚度大约为30-50纳米，然后在htl上面覆盖钙钛矿层，钙钛矿层上面是厚度大约为40-60纳米的etl层，通常为pcbm或者c60，最后覆盖金属(au、ag、al)作为电极。
30.可选的，剪叉式提升装置包括：
31.下提升支架，其上设有供左剪叉杆一端和右剪叉杆一端滑动的上滑槽；
32.上提升支架，其上设有供左剪叉杆另一端和右剪叉杆另一端的下滑槽，所述的上滑槽与所述的下滑槽互相平行；
33.提升气缸，固定端与框架通过螺栓固定连接，其移动端与左剪叉杆一端相连，使气缸移动端能够控制左剪叉杆一端在下滑槽中的位置。
34.左剪叉杆，其中部与右剪叉杆中部销轴连接，使左剪叉杆与右剪叉杆能够相对转动。
35.右剪叉杆，其一端与上滑槽配合，其另一端与下滑槽配合。
36.通过上下提升支架的设计，使其在工作时互相平行，保证提升待加工件时保持水平状态。在安装下提升支架时使其平行于加工平面即可，相对于现有技术中直接通过气缸提升的设计，在上下滑槽内加入缓冲件，可以降低气缸突然启动产生的振动，防止刚喷印上钙钛矿电池基底的墨滴发生形变。
37.可选的，抬升支架包括：
38.托放电机，其固定端固定连接在所述的上提升支架上，其输出端上连接有托放丝杆，所述的托放丝杆水平布置；
39.托放板，为“l”型板并通过托放滑块与托放丝杆螺纹连接。
40.作为优选，托放板的“l”型凹槽内可以加装缓冲垫，可以减少抬升时的震动对喷印墨滴产生的影响。
41.本发明具备的有益技术效果是：通过实现一种叠式结构实现喷墨打印制备光电器件的方法，尤其是解决了钙钛矿太阳能电池器件行业目前所面临的无法高质量、大面积、批量稳定制备难题，该方法使材料表面分布精度高、加工重复一致性好，通过对两组分别为nip和pin型结构的钙钛矿电池进行喷墨打印加工，nip型的转换效率能保持在23％以上，而pin型的转换效率可保持在21％以上，关键是其一致性非常好。同时该方法还具有转件时间短、关键工序加工过程中前后左右不产生移位，是多层次层叠实现喷墨打印的理想方法，不但可以大规模稳定制备钙钛矿太阳能电池器件，同时通过并行多工位叠式同步加工保证了生产效率，结构紧凑，空间占用小，软硬件、和机电一体化控制相结合，操作简单，材料利用率高，和其他工艺比，不但可以为用户节省大量的设备投入和场地空间，也较多地节省了材料费用。。
附图说明
42.图1为本发明的侧视结构示意图；
43.图2为本发明各加工单元中喷墨打印装置的结构示意图；
44.图3为本发明剪叉式提升装置位于低位时侧面的结构示意图；
45.图4为本发明剪叉式提升装置位于高位时侧面的结构示意图；
46.图5为本发明抬升支架侧面的结构示意图；
47.图6为本发明定位装置侧面的结构示意图；
48.图7为本发明总控制单元与其他装置的连接关系图；
49.图8为本发明中进料单元的俯视结构示意图。
50.附图标记：1-进料单元，2-透明电极层加工单元，3-电子传输层加工单元，4-钙钛矿层加工单元，5-空穴传输层加工单元，6-金属电极层加工单元，7-总控制单元，8-出料单元，9-支架，10-剪叉式提升装置，11-定位装置，12-下提升支架，13-上提升支架，14-提升气缸，15-左剪叉杆，16-右剪叉杆，17-抬升支架，18-定位电机，19-定位支架，20-定位卡块，21-x轴移动架，22-y轴移动架，23-喷墨打印加工头，24-进料固定架，25-进料电机，26-进料丝杆，27-进料螺母，28-进料托架，29-托放板，30-托放电机，31-固定盘。
具体实施方式
51.下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
52.实施例1
53.参照图1，一种叠式喷墨打印制造钙钛矿太阳能电池器件的设备，包括进料单元1、金属电极层加工单元6、电子传输层加工单元3、钙钛矿层加工单元4、空穴传输层加工单元5、透明电极层加工单元2、总控制单元7、垂直高度调整单元、出料单元8和支架9。
54.支架9作为各种单元的安装基座，由各类合金制成的条状材料制成，其包括五层框架，每层框架内都有供各类单元安装的镂空空间。五层框架自下而上分别安装有透明电极层加工单元2、电子传输层加工单元3、钙钛矿层加工单元4、空穴传输层加工单元5、金属电极层加工单元6。五层框架自下而上依次为第一框架、第二框架、第三框架、第四框架和第五框架。其第一框架左侧与进料单元1配合，使进料单元1能够将固定在固定盘30上的待加工原料送入金属电极层加工单元6中。其第五框架左侧与出料单元8配合，使出料单元8能够将加工后固定在固定盘30上的成品从透明电极层加工单元2中取出。
55.参考图3、4、5，垂直高度调整单元包括四个剪叉式提升装置10和五个定位装置11。剪叉式提升装置10自下而上设置在五层框架的下四层中，主要功能是将带有待加工原料的固定盘30夹持并提升至指定加工位置。五个定位装置11分别设置在五层框架的各层中，主要功能是将带有待加工原料的固定盘30定位在指定加工位置上。
56.剪叉式提升装置10包括下提升支架12、上提升支架13、提升气缸14、左剪叉杆15、右剪叉杆16和抬升支架17。下提升支架12上设有供左剪叉杆15一端和右剪叉杆16一端滑动的上滑槽，上提升支架13上设有供左剪叉杆15另一端和右剪叉杆16另一端的下滑槽，上滑槽与下滑槽之间互相平行。左剪叉杆15中部与右剪叉杆16中部通过销轴连接，使两者能够相对转动。提升气缸14固定端与框架通过螺栓固定连接，其移动端与左剪叉杆15一端相连，使气缸移动端能够控制左剪叉杆15一端在下滑槽中的位置。
57.参考图6，抬升支架17包括托放板29和托放电机30。托放电机30固定端通过螺栓固定连接在上提升支架13上，托放电机30输出端上连接有托放丝杆，托放板29为“l”型板并通过托放滑块与托放丝杆螺纹连接。托放板29在移动到指定位置时其台阶与固定盘30前后边缘位置对应，使其能够将固定盘30抬起。上述剪叉式提升装置10中的部件在下四层框架中每层均布置有两套，以对应固定盘30的前后位置。每两套的同步运动动作由总控制单元7控制。
58.参考图7，定位装置11分别设置在五层框架的每个框架中，其包括定位电机18、定位支架19和定位卡块20，定位电机18固定端通过螺栓固定连接在定位支架19上，定位电机18输出端连接有定位丝杆，定位卡块20通过定位滑块与定位丝杆螺纹连接。定位卡块20远离定位电机18一端上设有与固定盘30边缘配合的定位凹槽。定位支架19上有与上述定位滑块对应的滑轨。定位支架19固定连接在每层框架上，其作用的位置与每层框架上的加工单元的指定位置对应。
59.参考图2，透明电极层加工单元2、电子传输层加工单元3、钙钛矿层加工单元4、空穴传输层加工单元5和金属电极层加工单元6的结构基本一致，均包括了x轴移动架21、y轴移动架22和加工头，y轴移动架22安装在x轴移动架21上并可以在x轴上运动，x轴移动架21安装在框架上，加工头安装在y轴移动架上并可以在y轴上运动，实现将加工头移动到待加工工件的任意位置上的功能，具体而言均采用步进电机配合丝杆加滑块的典型组合或者其他能够保证加工精度的方案。加工头根据上述加工单元的类别采用对应的喷墨打印加工头23。每个加工单元的右部设有待命区，左部为加工区，加工区的上投影尺寸略大于固定盘30的上投影尺寸。当喷墨打印加工头23处于非加工状态时，由x轴移动架21和y轴移动架22将喷墨打印加工头23移动到待命区中，防止上述三者影响固定盘30的上移动作。
60.参考图7，总控制单元7具体而言为控制终端，其有若干控制信号线与上述加工单元，包括透明电极层加工单元2、电子传输层加工单元3、钙钛矿层加工单元4、空穴传输层加工单元5、金属电极层加工单元6中的步进电机、喷墨打印加工头23、定位装置10中的定位电机18、进料单元1中的进料电机25、出料单元8中的出料电机、托放电机30相连。总控制单元7还包括气压缸控制系统用于控制上述剪叉式提升装置10中的提升气缸14。
61.参考图8，进料单元1，包括进料固定架24、进料电机25、进料丝杆26、进料螺母27和进料托架28，进料电机25固定在进料固定架24上，进料电机25输出端与进料丝杆26相连，进料螺母27杆与进料丝杆26配合，进料螺母27杆固定连接在进料托架28下端。进料时待加工原料置于固定盘30上，由进料电机25转动带动进料丝杆26转动，进料丝杆26将进料螺母27和进料托架28推入第一框架中，由第一框架中的定位装置11工作将固定盘30定位在第一框架的相应加工位上。
62.出料单元8与进料单元1结构相似，包括出料固定架、出料电机、出料丝杆、出料螺母和出料托架，出料电机固定在出料固定架上，出料电机输出端与出料丝杆相连，出料螺母杆与出料丝杆配合，出料螺母杆固定连接在出料托架下端。出料时加工后的成品置于固定盘30上，由出料电机转动带动出料丝杆转动，出料丝杆将出料螺母和出料托架推入第五框架中固定盘30的下方，由第五框架中的定位装置11工作将固定盘30放开，使其下端与出料托架相接触。最后出料电机反向转动，将带有成品的固定盘30带出完成出料。
63.基于上述设备方案，本发明的工作流程如下：
64.将所有加工单元上的加工头复位至初始位置，保证所有加工头均处于待命区中。将所有剪叉式提升装置10复位至初始位置，保证所有上提升支架13与上提升支架13大致处于同一框架的水平面上，上提升支架13的位置与各加工单元的加工区对应，所有托放电机30处于缩回状态。
65.进料工序：由进料单元1将固定在固定盘30上的待加工原料送入第一框架中，安装在第一框架中的定位装置11的定位电机18驱动定位滑块向远离定位电机18方向移动，带动
定位卡块20卡入固定盘30的边缘，将其定位在金属电极层加工单元6的加工区中。
66.加工工序：由框架中金属电极层加工单元6中的步进电机驱动x轴移动架21和y轴移动架22带动喷墨打印加工头23移动到加工区中，并根据预先设计的程序进行喷墨打印加工。
67.切换工序：加工完毕后，框架中的剪叉式提升装置10中的托放电机30驱动托放滑块向远离托放电机30方向移动，使其上的托放板29移动到固定盘30的边缘下端。安装在框架中的定位装置11的定位电机18驱动定位滑块向靠近定位电机18方向移动，带动定位卡块20脱离固定盘30的边缘，此时固定盘30托放在托放板29上。
68.抬升工序：框架中的剪叉式提升装置10中的提升气缸14伸出，左剪叉杆15与右剪叉杆16受力，与水平面的夹角逐渐变大，直至上提升支架13提升至其上一框架上的定位装置11处。
69.定位工序：驱动定位滑块向远离定位电机18方向移动，带动定位卡块20卡入固定盘30的边缘，将其定位在对应的加工单元的加工区中。
70.其后重复加工工序、切换工序、抬升工序、定位工序四次并在第五次加工工序完成后停止进行出料工序：由出料单元8将固定在固定盘30上的成品从第五框架中取出。
71.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种叠式喷墨打印制造钙钛矿太阳能电池器件的设备，其特征在于，包括：支架，用于为各类单元提供安装位；进料单元，用于将置于固定盘上的待加工工件进料至加工单元；加工单元，包括若干加工模块，若干所述的加工模块垂直层叠布置；出料单元，用于将置于固定盘上的成品工件从加工单元处出料；垂直高度调整单元，用于将固定盘提升到指定的加工模块处并固定固定盘到预设的加工工位；总控制单元，用于控制进料单元、加工单元、出料单元和垂直高度调整单元的动作；所述的垂直高度调整单元包括提升装置和定位装置，所述的提升装置用于将代加工工件提升至下一加工单元，所述的定位装置用于将加工工件定位在加工单元的加工位上。2.根据权利要求1所述的一种叠式喷墨打印制造钙钛矿太阳能电池器件的设备，其特征在于，所述的提升装置为剪叉式提升装置，安装在支架上，用于将固定盘依次提升至上一加工单元中；所述的定位装置安装在支架上，与加工单元一一对应，用于将固定盘固定在指定加工位置上。3.根据权利要求1所述的一种叠式喷墨打印制造钙钛矿太阳能电池器件的设备，其特征在于，所述的加工模块分别为：透明电极层加工单元，其侧边有与进料单元配合的入料口，采用喷墨打印工艺加工金属电极层；电子传输层加工单元，采用喷墨打印工艺加工电子传输层；钙钛矿层加工单元，采用喷墨打印工艺加工钙钛矿层；空穴传输层加工单元，采用喷墨打印工艺加工空穴传输层；金属电极层加工单元，其侧边有与出料单元配合的出料口，采用喷墨打印加工透明电极层；所述的透明电极层加工单元、电子传输层加工单元、钙钛矿层加工单元、空穴传输层加工单元、金属电极层加工单元在垂直方向上依次排列。4.根据权利要求1所述的一种叠式喷墨打印制造钙钛矿太阳能电池器件的设备，其特征在于，所述的加工模块分别为：底电极加工单元，其侧边有与进料单元配合的入料口，采用激光刻蚀加工工艺；空穴传输层加工单元，采用喷墨打印工艺加工空穴传输层；钙钛矿层加工单元，采用喷墨打印工艺加工钙钛矿层；电子传输层加工单元，采用喷墨打印工艺加工电子传输层；顶电极加工单元，其侧边有与出料单元配合的出料口，采用pvd蒸镀加工工艺，所述的底电极加工单元、空穴传输层加工单元、钙钛矿层加工单元、电子传输层加工单元、顶电极加工单元在垂直方向上依次排列。5.根据权利要求2所述的一种叠式喷墨打印制造钙钛矿太阳能电池器件的设备，其特征在于，所述的剪叉式提升装置包括：下提升支架，其上设有供左剪叉杆一端和右剪叉杆一端滑动的上滑槽；
上提升支架，其上设有供左剪叉杆另一端和右剪叉杆另一端的下滑槽，所述的上滑槽与所述的下滑槽互相平行；提升气缸，固定端与框架通过螺栓固定连接，其移动端与左剪叉杆一端相连，使气缸移动端能够控制左剪叉杆一端在下滑槽中的位置。左剪叉杆，其中部与右剪叉杆中部销轴连接，使左剪叉杆与右剪叉杆能够相对转动。右剪叉杆，其一端与上滑槽配合，其另一端与下滑槽配合。6.根据权利要求5所述的一种叠式喷墨打印制造钙钛矿太阳能电池器件的设备，其特征在于，所述的抬升支架包括：托放电机，其固定端固定连接在所述的上提升支架上，其输出端上连接有托放丝杆，所述的托放丝杆水平布置；托放板，为“l”型板并通过托放滑块与托放丝杆螺纹连接。

技术总结
本发明公开了一种叠式喷墨打印制造钙钛矿太阳能电池器件的设备。支架，用于为各类单元提供安装位；进料单元，用于将置于固定盘上的待加工工件进料至加工单元；加工单元，包括若干加工模块，若干所述的加工模块垂直层叠布置；出料单元，用于将置于固定盘上的成品工件从加工单元处出料；垂直高度调整单元，用于将固定盘提升到指定的加工模块处并固定固定盘到预设的加工工位。本发明提供了一种叠式喷墨打印制造钙钛矿太阳能电池器件的设备，省略掉多余的定位工序，缩短工件制备周期，增加整体制备效率。制备效率。制备效率。


技术研发人员：俞立平 王刚军
受保护的技术使用者：杭州朗旭新能源科技有限公司
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/7/25