集成槽模头（Slot-Die Head）的3D打印机用于钙钛矿层印刷的流动参数数值分析

《Next Materials》：Numerical analysis of flow parameters for perovskite layer printing with a slot-die head integrated 3D printer

　　

摘要：在大面积基板上制造高效钙钛矿太阳能电池（PSCs）仍然是一个重大挑战。为此，将3D打印技术与传统的PSC制备工艺相结合是一种可行的方案，其能提供高效的物料利用率和规模化潜力。本研究聚焦于通过将槽模头（Slot-Die Head）集成到基于挤出成型的3D打印机中，对钙钛矿溶液的实际印刷流动参数进行数值优化。研究人员使用ANSYS Fluent中的计算流体动力学（CFD）进行计算，采用有限体积法（FVM）模拟钙钛矿（甲基铵铅三碘化物-氯化物，CH3NH3PbI3?xClx）溶液的流动行为。CFD模拟评估了不同入口速度（分别为3 mm/s、4 mm/s和5 mm/s）下的速度和压力分布。分析表明，3 mm/s的入口速度能够维持稳定的层流，这对于实现高涂布均匀性至关重要。相反，较高的速度会引入湍流，从而损害薄膜的均匀性。为了验证模拟结果，研究人员使用集成槽模头的3D打印机在最优入口速度3 mm/s下进行了实验测试。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征表明，所得薄膜的表面形貌和晶体结构与传统旋涂法制备的样品相当。这些结果为利用3D打印技术实现PSC的规模化制造提供了基础框架。

论文解读：集成槽模头3D打印机的钙钛矿层印刷流动参数数值分析

研究背景与意义

随着对清洁、可持续能源需求的增长，太阳能电池技术快速发展。钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）作为第三代光伏器件，光电转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）已从2009年的3.8%提升至2026年单结结构的26%以上。然而，传统制备工艺如旋涂法（Spin Coating）虽适用于实验室小面积高精器件，却存在物料浪费严重（超50%甩出）、难以兼容大面积基板以及无法适配卷对卷（Roll-to-Roll, R2R）生产等问题，制约了商业化进程。

槽模涂布（Slot-Die Coating）虽具可扩展性，但独立优化已近瓶颈。将低成本、可编程的熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling, FDM）3D打印技术与槽模涂布结合，有望通过数字化控制实现高效物料利用与连续沉积。Bonsa Regassa Hunde等研究人员在《Next Materials》发表了此项研究，旨在通过计算流体动力学（CFD）数值模拟先行优化流动参数，再经实验验证，为集成化3D打印PSC量产提供理论支撑。

主要关键技术方法

研究人员首先改造了一台Creality Ender 3 Pro型FDM 3D打印机，将挤出机替换为注射泵，通过聚四氟乙烯（PTFE）管连接槽模头（Slot-Die Head，开口0.1 mm，涂布宽25 mm）。研究采用ANSYS Fluent 2022 R2软件，运用有限体积法（FVM）建立瞬态多相流（VOF模型）模型。以CH₃NH₃PbI_3?xCl_x溶液为液相，空气为另一相，设定入口速度（3/4/5 mm/s）、出口大气压、底部移动加热壁（80°C，5 mm/s）等边界条件。通过Reynolds数（Re≈0.061）判定流态，选用层流模型。模拟后，研究人员在优化的3D打印系统上实际沉积PEDOT:PSS空穴传输层及钙钛矿层，并利用扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）对薄膜形貌与晶型进行表征验证。

研究结果

3.1 CFD结果分析

研究人员通过CFD模拟了三种入口速度下的流场与压力场。

3.1.1 速度分析（Velocity analysis）

在入口速度3 mm/s时，速度云图显示流场稳定且呈层流状态，沿涂布方向（X轴）速度变化平滑，利于均匀成膜。当速度提升至4 mm/s，速度云图出现微小波动，流场进入过渡区，涂布均匀性略有下降。当速度达到5 mm/s时，流场出现明显湍流与失稳，速度分布不均，易产生涂层缺陷。研究表明，低粘度与低表面张力的钙钛矿溶液在高剪切力下更易受扰动，3 mm/s是维持稳定涂布窗口（Capillary number Ca在0.001-0.01间）的最优选择。

3.1.2 压力分析（Pressure analysis）

压力分布与速度场对应。在3 mm/s下，压力等值线均匀分布，符合层流线性速度剖面与稳定压力梯度特征。4 mm/s时压力场出现轻微非均匀性。5 mm/s时，由于湍流涡旋与混沌运动，压力场出现局部高压与低压区，分布极不均匀。稳定的压力有助于维持模头出口处的稳定弯月面（Meniscus），防止气泡卷入与断胶。

3.2 压力、温度与速度随时间变化（Variations of pressure, temperature and velocity over time）

在最优参数（3 mm/s入口，底部壁面5 mm/s、80°C）下监测瞬态过程：速度在初始3秒瞬态期后稳定在3 mm/s；压力保持恒定；温度因热基板传热在380 K至383 K间微幅波动。这证实了系统在选定边界条件下可快速达到动态稳态，适合连续生产。

实验验证（4. Experimental validation）

研究人员在改造的3D打印机上以3 mm/s入口速度沉积钙钛矿层。先在UV-臭氧处理过的ITO/玻璃基板上以110°C退火印制PEDOT:PSS层，再沉积过滤后的CH₃NH₃PbI_3?xCl_x溶液并退火。

SEM表征显示，3D打印槽模法制备的钙钛矿薄膜表面均匀，无可见针孔（Pinhole），形貌与传统旋涂法样品相当。XRD图谱在2θ≈14.1°(110)、28.4°(220)、31.8°(310)等处出现高强度、窄半峰宽（FWHM）的衍射峰，确认了室温四方相（Tetragonal）混合卤素钙钛矿的成功结晶，且底层非晶PEDOT:PSS未影响长程有序性。实验有效验证了CFD模拟的可靠性。

讨论与结论翻译

5. 结论

本研究改造了FDM 3D打印机，通过CFD数值模拟与实验验证，探究了槽模头印刷钙钛矿（CH₃NH₃PbI_3?xCl_x）溶液的关键工艺参数（入口速度、压力）影响。ANSYS Fluent模拟表明，3 mm/s入口速度下的层流 regime能实现均匀涂布与最小压力波动；提高入口速度则诱发流场失稳与湍流，降低涂布均一性。在优化速度3 mm/s下的实验验证显示，制备的薄膜表面形貌与晶体结构和传统旋涂法相当。

本工作的主要贡献在于证明了基于市售FDM平台（Creality Ender 3）集成注射泵与槽模头的可行性。该系统实现了：1）原位多层涂布，避免基材转移与湿气暴露；2）可编程厚度梯度，助力梯度带隙工程；3）基于工具路径控制的反溶剂结晶；4）为未来在非平面架构上保形沉积电子传输层（ETL）、钙钛矿吸光层及空穴传输层（HTL）奠基。

总体而言，3D打印与槽模涂布的融合在物料利用、可扩展性、工艺灵活性与制造效率上具有显著优势。未来研究应聚焦于流动动力学、热管理与油墨配方的协同优化，并推进米级柔性基板的工业级R2R验证，以加速低成本高性能钙钛矿光伏的商业化。