光伏设备：钙钛矿薄膜涂布设备的选择与技术壁垒
溶液涂布法与真空镀膜法是目前两大钙钛矿层的主流制备工艺。溶液涂布法原料利用率高，速度快，成本低，设备兼容度高，是较为理想的制备工艺选择。
在溶液涂布法中，相较于刮刀涂布、喷雾涂布、喷墨涂布，狭缝涂布更有利于控制钙钛矿层大面积制备的均匀性，是目前主流的钙钛矿量产涂布工艺。
在使用狭缝涂布法大面积制备钙钛矿薄膜的过程中，需要设备和工艺的完美结合，具备较高的技术壁垒。
狭缝涂布法的技术壁垒—核心工艺壁垒 针对不同的材料体系，匹配最优解决方案；在涂布过程中，需要有较强的结晶控制能力；在大面积制备过程中，需要提升设备的运行稳定性和节拍效率。 狭缝涂布法的技术壁垒—核心零部件壁垒 钙钛矿涂布的流体粘度低，想要在干膜厚度极薄的条件下实现片对片的精准涂布，需要用到精准度极高的涂布模头。目前，中国本土企业尚还难以设计、制造高精度涂布模头。此外，材料体系的不同会导致注入模头的混合溶液不同，因此，需要根据不同混合溶液的特性来设计相应材料的涂布模头。 溶液涂布法 VS 真空镀膜法 溶液涂布法包括狭缝涂布、刮刀涂布、喷雾涂布、喷墨涂布。真空镀膜法包括蒸镀法、PVD法、RPD法。两者相比，溶液涂布法是目前更适合钙钛矿层大面积制备的方法。 溶液涂布法的原料利用率高，速度快，成本低 溶液涂布时，以狭缝涂布工艺为例，在其涂布过程中，钙钛矿前驱体溶液密封在储液罐中，从狭缝涂布头中挤出后直接沉积在基底上，溶液损失小，材料利用率高。据中金调研，狭缝涂布的材料利用率可以达到90%以上。 真空镀膜时，以蒸镀法为例，其靶材在蒸发气化后会沉积到基底，但由于靶材和基板之间距离较大，因此，部分靶材最终无法沉积在基板上，从而造成材料损耗。据中金调研，目前蒸镀法的材料利用率仅为30%-40%。从成本侧看，真空镀膜设备的核心传感器和精密配件需要进口，其设备成本较高。据统计，部分钙钛矿企业表示蒸镀设备成本是狭缝涂布设备成本的3-4倍。由于真空镀膜需要真空环境，其抽真空时间较长，这导致薄膜的生产速率较慢，进一步提高了生产成本。 溶液涂布的设备兼容度高，钙钛矿底层配方变化不会导致涂布设备底层改动 在溶液涂布的工艺中，需要将钙钛矿前驱体溶剂、添加剂和钝化材料混合注入涂布刀头，在非接触条件下让涂布液均匀分布在基底上。因此，溶液涂布无需对设备进行底层改动，只需关注调整后配方腐蚀性（对应调整设备零部件材料）、固含量（影响结晶和成膜速率）、粘度水平（影响涂布过程）即可。 在真空镀膜工艺中，随着钙钛矿核心层配方快速迭代，配方持续复杂化，其蒸镀设备工艺和材料配比需不断跟随调整，其中涉及多种材料的多源共蒸，可能造成设备复杂性、化学计量比控制、金属材料共蒸温度大于钙钛矿可承受温度等问题。 四大溶液涂布法的对比与选择 溶液涂布中包括狭缝涂布、刮刀涂布、喷雾涂布、喷墨涂布4大涂布工艺，4者相比，狭缝涂布更有利于控制钙钛矿层大面积制备的均匀性，是目前主流的钙钛矿量产涂布工艺。 狭缝涂布 一种将前驱体墨水存储在储液泵中，并通过控制系统将其按照设定参数均匀地从狭缝涂布头中连续挤压至基底上以形成连续、均匀液膜的沉积方法。其优势为设备成本低、生产成本低、原料利用率较高、对基底平整度要求略低等。但其劣势为对设备精度要求较高。 刮刀涂布 刮刀带动前驱体溶液铺满基底形成平整湿膜，湿薄膜干燥形成固态薄膜。其优势为设备成本低、清洁维护简单。其劣势为原材料利用率低，对基底平整度要求高，易于操作。 狭缝涂布 前驱体溶液液滴通过喷枪压力喷射，在基底上形成湿膜，在干燥后形成固体膜。其优势为生产成本低，效果好。其劣势为原材料利用率低，工艺复杂，且容易造成污染。 刮刀涂布 通过调节打印枪内压力，将钙钛矿前驱体溶液打印在基底上形成薄膜。其优势为对基材表面平整度要求较低，均匀性好，原材料利用度高。其劣势为高精度喷墨打印头成本高，且打印头极易因为前驱体溶液结晶而堵孔，造成较高清洁成本。 狭缝涂布法的工艺及设备壁垒 目前钙钛矿电池实验室的效率增长迅速，但是，在产业化环节中，随着钙钛矿组件面积的方法，其制作工艺难度飞速提升，电池效率反而实现衰减趋势。想要制备大面的钙钛矿薄膜电池，需要工艺与设备之间的精密配合。 核心工艺壁垒 1—针对不同材料体系，匹配最优解决方案 钙钛矿核心层配方快速迭代，对应到涂布环节，这意味着需要选择不同的材料体系（粘度、配方、溶液特性等），并用不同的材料体系实现与之对应的不同的涂布效果（涂布速度、涂布厚度、涂布均匀度等）。因此，在实际产业化过程中，这要求厂商在材料学、流体力学、自动化控制、软件算法等多方面有深刻的技术积累。 核心工艺壁垒 2—结晶控制能力 结晶环节是组件尺寸放大和大规模连续制造的最主要挑战。不均匀结晶会导致电池效率降低。目前，在涂布环节进行结晶预处理是提高结晶质量的一大方法。在实际操作过程中，使用者需要在有限的结晶窗口期内，通过电镜观察结晶致密度，并根据观察结果改变涂布节拍，以确保结晶均匀。 核心工艺壁垒 3—大面积制备工艺 大面制备意味着涂布时间的增长，结晶的均匀度更难以控制。如何在高负载的设备结构上，提升设备的运行稳定性和节拍效率是目前需要解决的问题。 核心零部件壁垒—涂布模头 精准度：钙钛矿薄膜需满足涂层厚度一致、平整、无皱褶的要求。但是，钙钛矿涂布的流体粘度低，想要在干膜厚度极薄（0.2微米）的条件下实现片对片的精准涂布，需要用到精准度极高的涂布模头。狭缝涂布模头技术革新的核心在于提升涂布的均匀性和精确度。过去，狭缝涂布模头往往存在涂布厚度不均匀的问题，造成产品质量的不稳定，其技术壁垒体现在流体模拟、受力分析和压力溅射等方面，这对涂布模头的设计提出了极高的要求，当前，中国本土企业尚还难以设计、制造高精度涂布模头。 定制化：在涂布时，需要将钙钛矿前驱体溶剂、添加剂和钝化材料混合注入涂布刀头，因此，根据不同的混合溶剂情况，涂布模头模体要选择具备对应的抗腐蚀性等相关特性的材料。 参考文献 [1] 2023.04，民生证券，《涂布机及模头应用场景及市场空间展望》； [2] 2023.02，东吴证券，《下一代光伏电池新秀，产业化曙光初现—钙钛矿行业深度报告》； [3] 2023.01，中金点睛，《 光伏前沿系列四：如何把握2023年钙钛矿太阳能电池投资机会？》； [4] 2021(1):46-57，杨志春，吴狄，剡晓波等，《大面积钙钛矿薄膜制备技术的研究进展》
