近日，《先进材料》（Advanced Materials）以“Macromers for Encapsulating Perovskite Photovoltaics and Achieving High Stability”为题，在线报道了苏州大学李耀文教授通过大分子单体策略，实现无光电转换效率损失的高气密性全覆盖式紫外光固化封装，在钙钛矿太阳能电池封装领域取得重要研究进展（Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.202400218）。
钙钛矿太阳能电池（pero-SCs）因其高光电转换效率（PCE）、可高通量溶液印刷等独特优势引得广泛关注。然而，由于钙钛矿本征离子特性，较差的湿度稳定性是制约pero-SCs商业化的关键因素。外部封装是防止环境水汽与钙钛矿器件直接接触的有效途径。其中，紫外光固化策略具有反应条件可控，可低温加工等优势，但常见的紫外光固化胶（UVCAs）与pero-SCs直接接触会导致PCE迅速衰减，因而无法应用于高密封性的全覆盖式封装。为解决这一问题，苏州大学李耀文教授等人首先探究了UVCAs中的单体诱导pero-SCs效率衰减的诱导因素：（1）小分子小尺寸的单体易渗透进入pero-SCs内部，形成绝缘屏障从而阻碍界面电荷抽提；（2）高极性单体会分解钙钛矿晶格。基于上述认知，设计了聚异丁烯二丙烯酸酯（PIBA）作为大分子单体，增大的分子尺寸避免了单体分子的层间渗透行为，低极性特性防止了其对钙钛矿活性层的侵蚀，同时聚异丁烯的分子主链结构使得固化后的PIBA具有高气密性，从而实现了无PCE损失的高效全覆盖式封装。最终基于PIBA的全覆盖式封装的pero-SCs获得了远超传统商用环氧树脂边缘封装的优异密封性，在85%相对湿度环境下放置2000 h后仍然保持了初始PCE的95%以上；相关封装器件在1 m深的水中浸泡30 min的ISO 20653:2013 IPX7测试后没有效率损失。此外，基于PIBA的全覆盖式封装策略表现出对不同钙钛矿组分和不同器件结构pero-SCs的优异通用性。
图1：（a）商用单体的分子结构和偶极矩；（b）基于不同单体全覆盖式封装的器件的PCE分布的统计结果，插图：全覆盖式封装示意图；（c）涂覆不同单体的器件在最大功率点下的PCE演变，以及跟踪300 s后相应器件的照片。
作者首先选择了五种常见的商用丙烯酸酯类单体模拟全覆盖式封装过程。经理论计算结果可知，具有较大偶极矩的DMAEMA和HEMA为高极性单体，而偶极矩较小的MMA、BMA和LMA为低极性单体。图1b和1c的测试结果表明，除LMA外其余单体在与器件接触过程中均会导致pero-SCs的PCE发生衰减。
图2：空白钙钛矿薄膜对照组及涂覆有MMA、DMAEMA和HEMA的钙钛矿薄膜的（a）吸收光谱；（b）XRD图谱；（c）SEM图像（比例尺，1 μm）；（d）钙钛矿粉末在几种单体中的溶解实验。
从图2中各钙钛矿薄膜的吸收光谱图、X射线衍射（XRD）图和扫描电子显微镜（SEM）图可以看出：与高极性单体接触后，钙钛矿薄膜的吸收强度下降，晶体结构被破坏，表面形貌发生巨大变化，这说明高极性单体对钙钛矿活性层存在破坏作用；而低极性单体对钙钛矿材料的吸光性能，晶体结构和表面形貌均没有不良影响。此外，溶解性实验为高极性单体对钙钛矿的溶解破坏作用给出更为直接的证明。
图3：结构为玻璃/钙钛矿/C60/BCP/封装单体样品的（a）ToF-SIMS图；（b）器件的I–V曲线，插图：样品结构示意图;（c）EIS奈奎斯特图，插图：等效电路模型；（d）TRPL图，插图：样品的结构示意图。
飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）和器件的 I–V曲线结果显示，虽然较小尺寸的MMA和BMA能够渗透至钙钛矿和电子传输层界面处，但是这种层间渗透并不会导致传输层电导率和电子迁移率的下降，这说明层间渗透行为对传输层电学性质没有不良影响。结合电化学阻抗（EIS）和时间分辨荧光光谱（TRPL）结果发现，小尺寸单体的层间渗透阻碍了钙钛矿和传输层界面的电荷抽提，这是诱导pero-SCs的PCE发生衰减的主要原因。
图4：（a）PIBA大分子单体的交联过程的示意图；（b）未封装，Resin-BE和CPIBA-BE封装pero-SCs的J–V曲线；（c）基于不同封装策略的pero-SCs在25℃和85%相对湿度下的PCE变化图及相关器件实物图，插图：全覆盖式封装和边缘封装示意图；（d）IPX7测试示意图、测试后相关pero-SCs的实物图及PCE统计图。
图4所示的结果表明，基于所设计的PIBA大分子单体，实现了对pero-SCs无PCE损失的全覆盖式封装。高湿度稳定性测试和ISO 20653:2013 IPX7水浸泡测试均表明：基于PIBA的全覆盖式封装的阻隔效果远超采用传统环氧树脂边缘封装。
综上所述，作者系统地研究了UVCAs中的单体分子结构和所封装pero-SCs性能衰减之间的构效关系，从而提出了一种低极性的大分子单体设计策略，成功避免了全覆盖封装过程中单体的层间渗透行为和对钙钛矿的侵蚀，最终实现了无性能损失的全覆盖式封装，并显著提高了器件的湿度稳定性。该策略为钙钛矿太阳能电池的封装材料设计提供了理论指导，并为制备面向实际应用的高稳定性pero-SCs提供了可能。
该工作第一作者是苏州大学硕士研究生唐晓华和张天骄，通讯作者为李耀文教授和博士后陈海阳。该研究成果得到了国家杰出青年科学基金（52325307）等项目的资助和支持。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202400218?af=R
来源：高分子科学前沿
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