柔性有机光伏器件卷对卷涂布设备研究

发布时间：2020-03-26 16:28

【摘要】：通过卷对卷工艺制作大面积高效的柔性薄膜光伏器件是近些年来光伏行业的研究方向之一。有机光伏电池(OPV)由于其材料来源广泛并且可以制成液体,频繁地出现在关于薄膜光伏器件制作的研究中。在这些研究当中,卷对卷涂印工艺被多次尝试,但是结果并不理想。主要困难在于光伏器件面积增大时,涂布质量下降,光电转换效率大大下降,使用寿命也不够长。这是由许多因素造成的,缺乏专门针对光伏器件的卷对卷涂印设备就是原因之一。虽然卷对卷工艺由来已久,但是由于工艺不同,传统的卷对卷涂印设备并不能直接用于制作大面积光伏器件,因为涂布的质量无法保证。为此本文深入研究了OPV的工艺要求和工艺流程,在此基础上设计了一台简易的OPV活性层卷对卷涂布设备。主要包括以下内容:首先,根据OPV活性层的工艺要求确定了涂层制作方法为狭缝挤压涂布技术。接着建立了涂布过程的数学模型,在此基础上研究了狭缝挤压涂布嘴的设计要点。同时研究了卷对卷涂布工艺的一般构成,并确定了设备的总体方案。然后,根据工艺要求确定了设备的运行参数,在此基础上进行了狭缝挤压涂布嘴、涂布平台、收放卷机构、热风干燥箱的结构设计以及设备的整体设计。接着通过计算流体力学(CFD)技术,对涂布嘴流道和热风干燥箱风道的流域进行了仿真分析,确定了保证宽向涂布均匀度的涂布嘴结构尺寸;验证了干燥箱风嘴出口风速和温度的均匀性均满足要求。此外研究了涂布间隔、涂布车速与最小湿膜厚度的关系,发现较小的涂层厚度在涂布车速较高时方能达到。其次,建立了卷对卷设备的张力模型,分析了辊子制造和安装误差对张力和速度的影响。根据张力模型,为张力和速度闭环控制分别设计了PID和线性二次型(LQR)控制器,并通过matlab仿真分析了控制器的性能。发现速度控制采用PID控制器,张力控制采用LQR控制器时系统响应情况最好。最后,根据设备的控制特点确定了系统的电气方案,进行了器件的选型和电气回路的详细设计,根据控制流程编写了PLC程序和人机交互界面。并搭建了简易的卷对卷实验平台,对PLC程序和人机交互界面的功能进行了验证。
【图文】：

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使用寿命短，难以与传统光伏电池竞争，该公司已申请破产保护[10]。韩国建国大学也研制出了高精度的 OPV 卷对卷涂布设备[11]，如图 1-3(d)所示，该设备由收放卷机、干燥箱组成，，整个机身位于封闭的洁净室内，能够实现 OPV缓冲层及功能层的涂制，该设备采用闭环张力控制，速度范围为 2～7m/min。国内对于 OPV 卷对卷技术的研究很少，仅有中南大学张楚俊等人将卷对卷工艺用于涂布 ZnO 层的报道[12]。此外有一些企业从事卷对卷工艺设备相关业务，如 MAXCESS、康井精机、汕头欧格等。MAXCESS 能够提供卷对卷工艺所需的各种配件，并能提供针对特定工艺的整体解决方案，康井精机、汕头欧格能提供卷对卷的涂布设备，但加工对象不是 OPV。

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10（b）截面图图 2- 1 狭缝挤压涂布原理图狭缝挤压涂布数学模型立涂布数学模型是为了研究涂布嘴结构参数以及运行参数对涂布厚度的影响。于涂布过程中涂液进口压力不大，涂液粘性基本保持不变，流道尺般也很小，因此涂液可以看作连续不可压缩的牛顿流体。按图 2标系，根据流体的连续性假设以及动量守恒定理，对于二维阻流微团有如下方程[42]：
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

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