太阳能光伏技术中的卷对卷技术

当前已经开发了大量的有机薄膜太阳电池的制备技术，其中有些技术只适合制备一种或几种有机太阳电池。而卷对卷［8］的印刷加工技术不仅可以提高生产速度，而且可以降低生产成本。“卷对卷”技术（roll to roll technique）是指包括喷墨、凹印、柔印、平印、涂布或转写在内的卷对卷印刷技术。在卷对卷的作业过程中，不必使用真空无尘的环境、复杂的腐蚀过程以及庞大的废液处理工程。因而，采用卷对卷技术进行大量生产是非常有效的。

1）喷墨——无接触型制备湿膜技术

喷墨印刷（inkjet printing）是对需要处理的区域中的每一个像素进行加或不加墨滴而打印出一个二维图案。当然，通过叠加多层二维图层或在同一点上添加很多的墨水也可以实现三维处理。在喷墨印刷的过程中，喷射墨滴的打印头和基板之间没有接触，墨滴只是注入它们之间的空隙中。喷墨印刷系统有连续喷射（continuous inkjet）和按需喷射（drop－on－demand）两种类型，如图15．4所示。连续喷射是打印头连续喷射出墨滴偏转到基板给定的像素位置，其打印的速度很快但打印的面积区域受限。而按需喷射是当喷嘴对着需要喷射的像素时喷出墨水，因而该系统需要很多喷嘴。

从商业角度而言，喷墨印刷是一个相对较新的处理方法，其使用限制主要是油墨的配方，尤其是在有机太阳电池上的应用。迄今为止，喷墨印刷的有机太阳电池仅限于小规模的器件（0．03～1cm2）。有机太阳电池的可行配方为：ITO缓冲层用PEDOT－PSS，施主材料采用P3HT，受主材料使用PCBM，其转换效率可达3．7%。喷墨印刷技术至今一般均采用玻璃作为基板，并且其效果有待进一步测试。尽管如此，喷墨印刷仍然是制备有机太阳电池的一种技术。

图15．4　按需喷射（drop－on－demand，这里是压电喷墨打印）与连续喷墨印刷的原理图（a）和使用喷墨印刷技术制备的宽度为305mm、分辨率为600dpi的图片（b）及600dpi的打印喷头（c）

2）凹印、柔印、平印——接触型制备湿膜技术

接触型制备湿膜技术的原理是利用物理接触的形式在基板上印刷一定的二维图案。接触制备湿膜技术有凹印、柔印和平印三种，各自分别具有其优缺点。

凹印（gravure printing）技术是当今印刷杂志等通常使用的印刷技术。通过压印滚筒与凹版滚筒的接触压力将油墨转移到基板上，最终的压印形状和厚度由凹印滚筒上的图案和深度所决定。凹印适于低黏性油墨的快速印刷（速度高达15m／s），印刷的质量极大地依赖于油墨的流动性、网速和压印滚筒的压力。目前为止，使用凹印技术制备太阳电池的报道很少［8］。(www.xing528.com)

柔印（flexographic printing）技术与凹印技术的差别仅在于将印刷油墨的图案由凹腔改为浮雕的形式，通常采用由橡胶或光聚合物制成的突出于印刷平板的图案模板。柔印系统由墨斗辊所组成，墨斗辊不断地给嵌入到外部的且刻有微腔的陶瓷网纹辊提供油墨。印刷辊从网纹辊模板图案上提取的油墨图形与其浮雕相反，如图15．5（a）和15．5（b）所示。卷对卷的柔印技术是制备有机太阳电池的新技术，但迄今为止只利用该技术改性加工了PEDOT：PSS层、在活性层表面制备了浸润剂层和在无ITO的有机太阳电池上印刷宽度50μm以内的电极线，而还没有直接使用该技术制备活性层。

平印（screen printing）技术本身可以制备很厚的薄膜，在印刷高导电率的电极方面很有使用价值，这是凹印和柔印所无法满足的。利用平印技术印刷的湿层厚度范围一般为10～500μm。平印有平床平印和旋转平印两种类型，如图15．5（c）和15．5（d）所示，且在操作上存在显著的差异。平床平印的优点是掩码成本低，可以进行大面积印刷（可达10m2），并且在有必要的时候可以进行打印之间的调整，但在同一时间内可以只打印一个掩码，适合研发和实验室的使用。旋转平印与平床平印的不同之处在于其油墨和刮刀均放置于旋转圆筒中。与平床平印相比，除了掩码成本稍贵之外，在印刷速度、印刷图案边缘清晰度、分辨率以及可实现的湿膜厚度等方面，旋转平印均远远优于平床平印。旋转平印是真正意义上的卷对卷印刷技术，是一个可以印刷大面积湿膜的二维印刷技术。但由于掩码成本高、操作精细、调整困难、清洗耗时等因素，旋转平印并不像平床平印一样适合实验室应用。研究表明旋转平印适用于聚合物太阳电池正面和背面的电极印刷，而平床平印适用于活性层的印制［8］。

图15．5　接触型制备湿膜技术（a）柔印网纹辊上的模板图案　（b）印刷辊印刷的图案　（c）平床平印　（d）旋转平印技术

3）涂布印刷——穹液面湿膜成型技术

涂布印刷技术是在涂布头不与基底材料接触的情况下沿着基底的轴向制备连续的湿膜。涂层是在涂布头与基底之间连续进油墨的弯液面而产生，大部分的涂布技术只是在基底上简单地涂了一层湿膜而没有图案印刷，但它在湿膜的厚度控制方面远远地优于其他的任何印刷技术，并且制备的膜层也非常均匀。涂布技术的种类也非常多，其中，狭缝挤压式涂布和刮刀涂布两种技术在有机太阳电池的卷对卷印刷方面具有一定的应用价值。图15．6给出了狭缝挤压式涂布和刮刀涂布两种技术的实物图。

图15．6　涂布印刷技术（a）狭缝挤压式涂布　（b）刮刀涂布