一种可原位监测钙钛矿薄膜闪蒸干燥时间的装置及方法与流程

本发明属于钙钛矿薄膜的制备，具体涉及一种利用窄带发光二极管(led)照射钙钛矿湿膜获得反射成像以及通过成像干涉条纹变化计算溶剂蒸发速率和薄膜干燥时间的方法，以及通过所述方法测量薄膜干燥时间的装置。

背景技术：

1、金属卤化物钙钛矿太阳能电池（pscs）作为第三代太阳能电池技术因其较高的光电转换效率（pce）和较低的制造成本和制备工艺难度，获得了广泛的发展与研究。在追求高效钙钛矿太阳能电池的过程中，操纵成膜过程以制备高质量的钙钛矿薄膜至关重要。具有全覆盖、更少针孔和更大晶粒的良好形貌薄膜对钙钛矿太阳能电池的性能有积极影响，因为这可以抑制电荷载流子复合。在当前高效钙钛矿太阳能电池器件的研发过程中，溶液法为器件的主流制备方法，由于制备方法的局限性，性能最佳的钙钛矿太阳能电池通常使用氯苯等抗溶剂制成，以从其前驱体溶液中沉淀钙钛矿或其中间体，钙钛矿或其中间体通常含有γ-丁内酯（gbl）、二甲基甲酰胺（dmf）和二甲基亚砜（dmso）的溶剂混合物，反溶剂会引起钙钛矿溶液的过饱和，但由于在旋涂过程中反溶剂通常滴在薄膜的中心，结果是过饱和的径向梯度变化，钙钛矿或其中间体的空间不均匀成核最终导致钙钛矿薄膜出现缺陷。此外，目前使用的抗溶剂对环境有毒且有害，阻碍了其大规模应用。因此，如果大面积钙钛矿器件的性能要与无机薄膜光伏相比具有竞争力，则需要制备大面积钙钛矿太阳能电池的替代程序。

2、为了获得大面积光滑无针孔的高质量钙钛矿薄膜，可以采用在钙钛矿的固溶处理过程中应用真空闪蒸处理的方法，如文献science 353,58-62(2016).和专利cn109155366b中用到的方法。这些研究中的真空闪蒸辅助溶液处理是一种能够突然且控制良好地去除溶剂的方法，在真空下溶液的饱和蒸汽压增大，溶剂快速挥发从而促进钙钛矿前驱体相的路易斯酸碱型化合物快速结晶。热退火后，前驱体相产生具有出色质量的高度取向结晶钙钛矿薄膜，可在各种衬底上生长。

3、然而，薄膜在干燥过程中的形貌，主要受溶剂、温度、和溶剂蒸发速率（干燥速率）等因素影响，是通过闪蒸设备抽真空速率、气流、真空度等制造参数来控制的。随面积分布变化干燥速率的偏差会产生横向形态差异，从而导致明显的功率转换效率（pce）变化。因此，控制蒸发速率是优化工艺条件的关键参数，对于大规模生产，氮气或空气在大表面上的流动会引起干燥速率的差异，因此有必要原位监测薄膜的形成，以确保均匀和可重复的形态。同时，钙钛矿太阳能电池的填充因子和开路电压对于最佳活性层厚度的偏差很敏感，这也使薄膜厚度和干燥时间成为需要监测的重要参数。

4、本发明将反射成像作为一种非侵入性工具，用于溶剂蒸发速率的区域监测。该技术非常适合用于实验室规模的旋涂和刮涂薄膜的干燥时间检测，从而实现大规模生产。闪蒸工艺的原位成像显示了钙钛矿活层性材料在湿膜初始阶段到钙钛矿相成膜状态，达到干膜的时间和溶剂蒸发速率是可视化的，同时还可以确定最终干膜厚度的变化。

技术实现思路

1、鉴于现有闪蒸设备及技术中无法原位监测钙钛矿薄膜干燥速率和厚度的不足，本发明的目的在于提供一种可原位监测闪蒸过程中钙钛矿薄膜干燥时间的方法以及实现所述方法的一种可原位监测钙钛矿薄膜闪蒸干燥时间的装置，为监测高质量钙钛矿薄膜和大规模钙钛矿太阳能电池的生产提供一种有效手段。

2、本技术第一方面提供了一种可原位监测钙钛矿薄膜闪蒸干燥时间的装置，包括发射光源、载物台、漫射器，以及依次连接的光电传感器、图像处理器、像素采集模块、编码识别模块及输出模块。

3、在一些实施例中，所述发射光源发射光线，经由漫射器发射至载物台，并使置于载物台的钙钛矿薄膜上表面产生反射光，并使反射光到达光电传感器。

4、具体地，所述发射光源用于发射单波长紫外、可见或近红外光，采用发光二极管（led）或激光光源，提供连续或脉冲形式的光线。

5、在一些实施例中，所述光电传感器包括光敏元件（如ccd或cmos相机）以及信号处理电路；进一步的，所述光电传感器接收从薄膜表面反射回来的光线并将其转化为电信号，对电信号强度、相位等参数进行分析，根据预先建立的关系模型计算出薄膜样品的厚度。

6、具体地，所述薄膜样品的厚度可以根据光程差和薄膜关系公式得到：

7、

8、其中干涉加强为（明条纹，即反射增强）

9、

10、其中干涉减弱为（暗条纹，即反射减弱）

11、

12、d是待测钙钛矿湿膜的厚度，会随时间而发生变化，δ是光程差，n1和n2分别是低真空状态和钙钛矿薄膜的折射系数，i和r分别是入射角和折射角，λ是发射光的波长。当钙钛矿薄膜完全干燥而厚度趋于恒定值时，反射强度不再发生变化，根据干涉条纹的数量k值带入上述公式即可计算出薄膜的厚度d。闪蒸开始时间与薄膜干燥完全时间之差即为钙钛矿湿膜的干燥时间。

13、在一些实施例中，所述漫射器是一种光学组件，将发射光源发出的直射光扩散为更均匀的散射光，或者调整发射光源发出的光线的入射角。

14、在一些实施例中，所述图像处理器实时接收并处理由光电传感器捕获的光信号转换而来的电信号，形成数字图像。对生成的数字图像数据进行滤波、增强、降噪等一系列预处理操作，并从中提取与薄膜厚度相关的特征信息。

15、在一些实施例中，所述像素采集模块读取光电传感器每个像素点上的亮度值（灰度值）或者颜色信息，记录每一帧图像中所有像素点的数据，包括那些受到薄膜厚度影响从而发生光反射强度变化的区域，为后续分析提供依据。

16、在一些实施例中，所述编码识别模块利用算法分析从像素采集模块获取的图像数据，通过对比模型或标准曲线来识别和解码反映薄膜厚度的光学特征。

17、具体地，所述编码识别模块通过对图像中的干涉条纹提取的像素信息进行解析，计算出薄膜干燥时间的准确数值。

18、在一些实施例中，所述输出模块将经过处理和分析得到的数据转化为函数图像形式，将溶剂挥发速率和薄膜干燥时间的结果实时显示，或者通过接口传输给其他设备或控制系统；同时，保存测量结果至本地存储设备，用于后期数据分析和报告生成。

19、本技术另一方面还提供了一种可原位监测钙钛矿薄膜闪蒸干燥时间的方法，采用上述的装置进行，包括步骤：

20、s1:发射光源发射光线并经由漫射器传输至载物台上承载的钙钛矿薄膜表面；

21、s2：通过均匀单色光的照射，在钙钛矿薄膜表面形成一定强度的反射光，并被光电传感器采集，并把输入的反射光信号转换为输出电信号（图像信号）；

22、s3：图像处理器、像素采集模块以及编码识别模块依次对捕捉到的电信号（图像信号）进行分析处理，得出反射强度随时间变化的函数关系；

23、s4: 根据s3得到的函数关系判断，当反射强度变化大于基线强度的5%时，继续执行步骤s1~s3，获得更新的反射强度信息；否则，反射强度不再变化，输出薄膜厚度和干燥时间。

24、在一些实施例中，步骤s1中的发射光源采用单色led矩阵式均匀分布，减少热点和暗区，所述漫射器将发射光源发出的直射光转化为均匀的漫射光，可以得到更加均匀的单色光源。

25、在一些实施例中，所述图像处理器接收到光电传感器传输的图像信号后，对每一帧图像进行处理，包括噪声去除、增强对比度以及提取干涉条纹特征的操作；像素采集模块从处理后的图像中逐帧提取像素灰度值，以此计算出随帧数变化的反射强度信息；所述编码识别模块基于预设的薄膜干涉模型，将像素采集模块得到的光学参数转换为强度信号值，得到光学强度信号值随时间变化的函数关系。

26、在一些实施例中，所述输出模块将解码后的薄膜厚度数据实时显示在显示屏上，或者存储于计算机数据库中。

27、本发明实施例提供一种可原位监测钙钛矿薄膜闪蒸干燥时间的装置及方法，包括发射光源、载物台、漫射器，以及依次连接的光电传感器、图像处理器、像素采集模块、编码识别模块及输出模块；利用发射光源发射光线，经由漫射器到达载物台上的薄膜样品并输出反射光，所述光电传感器、图像处理器、像素采集模块、编码识别模块及输出模块依次对反射光进行解析、处理以及图像化等操作，实现对钙钛矿薄膜闪蒸干燥过程中的厚度以及时间的实时精确监控，提高薄膜大规模生产效率。