探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 048

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

048 走向量产的关键：狭缝涂布（Slot-Die Coating）技术详解 2025-10-31

狭缝涂布技术：有机光伏量产的关键突破

从实验室的微小样品到工厂的大面积组件，一项精密涂布技术正在消除有机光伏产业化的瓶颈。

在有机太阳能电池（OSCs）实验室效率不断提升的今天，如何将这一潜力技术推向产业化已成为关键挑战。狭缝涂布技术作为精密涂布领域的核心工艺，正成为打通有机光伏从实验室研究到规模化生产路径的关键环节。

随着单结有机太阳能电池实验室效率突破19%，学术界与产业界的焦点正逐渐转向解决高通量和成本效益的规模化生产问题，而狭缝涂布技术在这一领域展现出独特的优势。

01 有机光伏产业化的核心挑战

高效率与低成本的平衡是有机光伏产业化面临的首要挑战。实验室中通过旋涂等方法制备的小面积有机太阳能电池虽已实现令人瞩目的光电转换效率，但这些方法难以满足大规模生产的需求。
传统工艺如刮刀、浸泡转印等涂布方式，其涂层厚度公差大且不均匀，容易导致涂料过多或回流造成的浪费，使它们无法满足高性能有机光伏器件的生产要求。
对高通量和具有成本效益的解决方案的迫切需求，已成为有机光伏技术从实验室走向市场过程中尚未完全解决的瓶颈。

02 狭缝涂布技术原理与优势

狭缝涂布是一种高精密涂布方式，其操作原理是将流体以一定量通过泵打入能将流体均匀展开的模具，流体从模具出口流出后，再涂布在基材上。
涂膜厚度由泵流量、涂布宽度及涂布速度共同决定，与涂料黏度无关，其数学关系式为：湿膜厚度 = 泵流量 / (涂布宽度 × 涂布速度)。
狭缝涂布模具的结构主要包括入料口、面积很大的流道（分流管）、间隙很小的平面流道（狭缝）以及模具出口与基材之间形成涂布液珠的模唇。

技术优势表现
卓越的均匀性：狭缝涂布能够实现膜厚误差小于±2%，甚至可达1%的精确控制，远优于传统涂布方式。

广泛的材料适应性：可适用的液体黏度范围广泛（10-10000 cp），覆盖了大多数有机光伏材料的需要。

高效的生产能力：配合涂布产线生产速度范围大（甚至高于100m/min），满足了工业化量产对效率的要求。

低浪费高清洁度：采用封闭式供料系统，既减少了材料浪费，又保证了清洁生产环境。

多层涂布能力：可一次性完成多层涂布，如电池正负极片涂布，简化了生产工艺流程。


03 狭缝涂布在有机光伏中的应用突破
狭缝涂布技术在有机光伏领域已展现出显著的应用价值。以氧化锌电子传输层为例，研究表明通过调控氧化锌墨水溶剂和引入墨水分散添加剂，可以获得适用于大面积涂布的氧化锌纳米墨水。
其中复合溶剂的使用调控了氧化锌墨水的流变特性，进而改善了涂布薄膜中的边缘效应；
而乙醇胺添加剂的引入则解决了墨水在存放和印刷过程中的聚集问题。
采用狭缝涂布方法制备获得的100×100 mm²尺寸的大面积涂布薄膜具有优异的均匀性。
将这种印刷的大面积氧化锌薄膜作为柔性有机太阳能电池的电子传输层，可使1 cm²柔性有机太阳能电池的效率超过14%，同时表现出优异的重复性。
在钙钛矿太阳能电池领域，狭缝涂布同样展现出巨大潜力。高精度狭缝式涂布机经过不断迭代更新，目前已发展到第五代产品，具有涂布速度快、涂膜均匀性好、重复性好等优势。

04 狭缝涂布模具的设计与加工
模具是狭缝涂布技术的核心部件，其设计加工质量直接决定涂布效果。一支优秀的狭缝涂布模具，除了能提供均匀的涂膜，还要能避免涂布缺陷产生。

模具材质选择
狭缝式模具通常需要处理各种涂胶液体，可能要承受化学腐蚀、高剪切力等，选材时必须考虑钢材的稳定性与耐磨性。
具有高强度耐磨、耐腐蚀以及形变小的不锈钢 (SUS系列) 成为制作狭缝式模具的首选，特殊情况下还会在模具出口区采用碳化钨涂层来增强耐用性。

流道设计关键
模具内部流道几何尺寸会影响涂膜在宽度方向厚度均匀性，模唇形状则影响涂布液珠稳定性，进而影响涂布的操作。
根据处理材料的物性，流道设计需做优化设计。通常低中黏度的狭缝式模具流道接近于T形，中高黏度则会趋近于衣架形。
模唇出口结构
狭缝式模具的模唇出口分为固定式和可调式两种。可调式设计通过螺丝来调节模唇开口，可以补偿模具在使用时受到压力、机械结构等外部因素造成的可能变形。
但固定式出口结构更为简单，少了螺栓容易卡住脏污以及需要仔细清洁的繁复，保养相对轻松，操作人员也容易上手。
固定式出口的狭缝式模具使用垫片来进行涂布厚度与宽度的调节，依据生产需求，可以将不同厚度的垫片（通常为不锈钢材质）插入模腔内，就可以调节出口间隙。

加工精度要求
精密CNC加工是制作精密模具的关键。通常制作模具的CNC的加工尺寸公差都必须控制在±2μm～±5μm（特别精密型可达±1μm），出口间隙均匀度更是必须低于±2μm。
模具出口处的镜面抛光处理同样至关重要，需要让出口处的表面粗糙度达到Ra0.1um，以确保液体减少滞留、降低剪切，避免涂布表面条纹、气泡或破膜的情况产生。


05 技术挑战与解决方案

尽管狭缝涂布技术具有诸多优势，但在实际应用过程中仍面临一些挑战：

边缘效应与均匀性问题
在大面积涂布过程中，薄膜干燥不均匀和边缘效应是影响涂层质量的主要因素。通过调控墨水溶剂和引入分散添加剂，可以显著改善这些问题。

涂布缺陷控制
涂布缺陷的产生与涂液物性、涂布操作参数（涂布速度、流量等）与模头之几何形状有关。针对条纹、气泡等常见缺陷，需要优化涂布窗口（coating window）并调整模头设计。

联动型涂布技术
为了进一步提高生产效率，联动型逐层狭缝涂布仪被开发出来，它将逐层法与狭缝涂布相结合，包括涂覆单元、供液单元以及控制单元。
这种设计使用两个狭缝涂布刀头设置于基板的涂覆面上，并夹装于间距可调的联动刀头夹具之中，使涂覆过程中狭缝涂布刀头间的相对距离可调，并保持涂覆的相对稳定。


06 狭缝涂布技术的未来展望

随着有机光伏技术的不断发展，狭缝涂布技术也在持续创新：

延伸技术多样化
狭缝式模头涂布技术不仅限于连续涂布单层，还可根据产品需求实现条纹式（stripe）、方块式（pattern）涂布。
对高性能产品如光学膜、软性电路板、锂电池正负极等，同时进行多层涂布技术成为优先考虑的项目。

智能化与自动化
基于物联网的供料远程监控系统实现了智能涂布供料；双网合一智能设备远程控制系统，实现在同一设备完成有机薄膜、无机薄膜以及有机无机杂化薄膜的应用快速切换。

精度与效率提升
高精度狭缝式涂布机采用高精仪器动态调试涂布单元的水平精度，使水平精度可以控制在最小的公差0.5um范围，配合线性伺服电机驱动的空气轴承载物台加上高精密度光栅尺闭环软件精度补偿，确保涂膜均匀性。

从实验室到生产线，狭缝涂布技术正逐步化解有机光伏产业化的瓶颈。随着大面积涂布均匀性、薄膜缺陷控制等关键技术难点的不断突破，有机光伏的产业化路径变得更加清晰。
它不仅能应用于有机光伏，还在钙钛矿太阳能电池、锂电池电极涂布等众多新能源领域展现出广阔前景。
未来，随着狭缝涂布技术与有机光伏材料的协同进步，我们有望见证一场绿色能源生产的变革——就像印刷报纸一样“印刷”太阳能电池，让清洁能源的真正普及成为现实。