钙钛矿太阳能电池产线工艺环节介绍

钙钛矿太阳能电池技术是一种包含钙钛矿结构化合物作为光捕获活性层的太阳能电池，钙钛矿具有宽吸收光谱、快速电荷分离、电子和空穴传输距离长、载流子分离寿命长等固有特性。但与其他成熟的太阳能技术相比，钙钛矿太阳能电池技术仍处于商业化的早期阶段，钙钛矿太阳能电池实际器件制造的主要问题是薄膜质量和厚度。美能SP200探针式台阶仪能帮助用户从实验室研发到产线质量控制的完美把控，可通过不同位置的多点自动测量确认整片硅表面上薄膜的准确厚度，且做到无接触损伤的精准测量。

 

 

钙钛矿太阳能电池制造工艺

钙钛矿产线工艺主要包括镀膜、涂布/印刷、刻蚀和封装等环节。目前钙钛矿的生产技术路线尚未标准化，不同钙钛矿太阳能电池的生产厂商往往会采用不同的工艺和技术路线。

 

钙钛矿产线工艺与组件结构对应概览图

 

 

镀膜环节

镀膜环节制备各功能层和电极层，是钙钛矿电池的关键工艺。空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、TCO层和背电极的制备过程中均涉及镀膜。钙钛矿组件镀膜环节主要使用物理气相沉积技术（PVD），即在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。

 

根据反应方法不同，PVD工艺可以分为蒸镀、磁控溅射镀和反应式等离子体镀（RPD），其中：

 

①蒸镀成熟度较高，薄膜纯度高但其过程温度较高，薄膜附着力较差，主要应用于金属和有机材料电极；

 

②磁控溅射镀的薄膜附着力较强，过程温度较低但是会产生厚度不均匀的问题，主要应用于金属氧化物电极；

 

③RPD的薄膜质量更高，对衬底的轰击损伤较小，成膜速度更快，但是设备成本较高。真空蒸镀工艺示意图磁控溅射镀膜工艺示意图

 

涂布/印刷环节

涂布和印刷工艺主要用于生产钙钛矿层，并且在实验室中已经开始尝试使用这两项技术生产空穴传输层和电子传输层。其中湿法涂布工艺的可控性强，已经成为主流工艺；而印刷工艺用于生产印刷型钙钛矿组件，适用范围有限。

 

涂布与印刷工艺：（a）刮涂、（b）狭缝涂布、（c）喷墨印刷、（d）喷涂、（e）丝网印刷、（f）凸版印刷和（g）凹版印刷

 

 

涂布技术可以分为刮涂、辊涂以及狭缝涂布等，其中狭缝涂布是主流工艺。

 

①狭缝涂布技术是一种高精度涂布方式，工作原理为涂布液沿着涂布模具的缝隙挤压喷出而转移到基材上，具有涂布速度快、精度高、湿厚均匀、浆料利用率高、可同时进行多层涂布等优点。

 

②刮涂的工作原理是使用刮刀刮掉基材上的过量涂料，具体工作原理是将过量浆料涂在薄膜基材上，在基材通过涂辊与刮刀之间时刮掉多余浆料，并由此在基材表面形成一层均匀的涂层，刮刀与基材之间的间隙决定了涂层厚度。优点是易于控制涂布量和涂布精度，适用于高固含量和高黏度的浆料，但存在这种刮刀具在刮涂过程中可能会对器件表面造成损伤。

 

③辊涂的工作原理是涂辊转动带动浆料，通过刮刀间隙来调节浆料转移量，并利用背辊和涂辊的转动将浆料转移到基材上，优缺点和刮涂类似。

 

 

刻蚀环节

刻蚀环节用于切割子电池，激光刻蚀已经成为主流方法。激光刻蚀的主要目的是使用激光划线打开膜层，阻断导通，从而形成单独的模块、实现电池分片，主要用于P1、P2和P3层。通常情况下P1为TCO导电玻璃，P2是钙钛矿吸光层，P3则一般是镀金或者镀银材料。在进行激光刻蚀的过程中，一般需保证激光刻蚀线宽与刻蚀线间距精确度，并且不会对之前的层级造成损伤。P4 层则主要利用激光设备实现激光清边，对电池的边缘进行绝缘处理，去除无效区域。

 

钙钛矿激光工艺

 

 

 

封装环节

为了避免外部环境因素和分解泄漏等导致钙钛矿结构或其它功能层被破坏，封装是一种最有效的解决方法。常见的封装方式大致可分为两类：一种是完全覆盖封装，通常在模块顶部制备封装层；另一种是边缘封装，在模块周围放置密封剂。

 

对于完全覆盖封装，既可以使用聚合物作为封装材料，也可以采用原子沉积法制备隔绝水氧的薄膜，其优势在于保护效果更好，但是对钙钛矿层以及其它功能层影响较大，并且由于其直接接触钙钛矿功能层，所以对其透光率有较高要求。

 

边缘封装优势在于可以减少对接触层的影响，降低封装材料与钙钛矿发生副反应的可能性，同时对材料透光率的要求较低，但封装效果会相应降低。为了进一步增加阻水效果，可以在边缘封装过程中加入干燥剂。封装设备可以与晶硅行业共用。

 

（a）保护层作为封装材料覆盖活性区；（b）将密封胶置于在活性区边缘

 

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美能SP200探针式台阶仪采用接触式表面形貌测量，是传统表面形貌测量的一个突破性发展。可通过不同位置的多点自动测量确认整片电池上薄膜的准确厚度。SP200拥有卓越的测量重复性为用户们提供准确的薄膜厚度和应力测量。

 

 

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