近十年来，铅基卤化物钙钛矿光伏电池以其强光吸收、可溶液加工、光电转换效率高等优势而备受全球关注，已成为第三代新型光伏电池，其光电转换效率超过25%，达到了商业化的水平，与钙钛矿光伏电池产业化配套行业也随之发展起来。
钙钛矿光伏电池的封装是其产业化应用的重要环节，传统的光伏封装材料有乙烯醋酸乙烯酯（EVA）和聚乙烯醇缩丁醛（PVB）等，它们的封装温度为140～160℃，这么高的封装温度显然不利于钙钛矿光伏电池的高性能化，尽管人们尝试采用边缘封装工艺解决这个问题，但其安全性和电池损坏后的铅泄露对环境污染等问题仍然是该领域的一个难题。
文中采用自由基共聚合，以丙烯酸、丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯为反应单体，制备了一种丙烯酸酯类热熔胶（AHMA），将其在80℃和0.05MPA条件下与PVB薄膜组合，成功实现了安全夹层钙钛矿光伏电池的高效稳定封装；通过对其抗冲击性、铅泄露和光电转换效率的表征，证实了AHMA是一种适用于钙钛矿光伏电池的环保封装材料。
丙烯酸含量的变化势必会导致AHMA耐水性的变化，文中对不同丙烯酸含量AHMA的静态水接触角测试如图1所示。
随着体系中丙烯酸含量逐渐增加，AHMA的表面水接触角数值逐渐减小，当丙烯酸含量为9%时，水接触角达到最小值65.3°，这是由于随着丙烯酸含量的增加，体系中羧基含量增加，亲水基团富集在AHMA内部和表面，进而降低了对水的屏蔽作用，水分子进入容易，进而亲水性能增强，实现了从疏水性到亲水性转变。由于体系中含有酯基，AHMA又是一种不溶于水的聚合物，因此为该聚合物能够吸附雨水中的铅离子奠定了基础。
根据离子吸附作用，水溶液中的铅离子可以被AHMA的羧基吸附，AHMA的铅吸附特性曲线如图2所示。
从图2可以看出，在40℃下，140MGAHMA可吸附PB（NO3）2溶液（PH＝4.2，40ML）中0.5MG／L的铅离子。
通过热失重分析（TGA）研究了AHMA的耐热性能，AHMA的热失重曲线如图3所示。
304℃条件下，AHMA的重量损失小于5%，说明该材料具有良好的热稳定性，能够满足PSCS的使用温度要求。
从图4可以看出，AHMA的玻璃化转变温度（TG）和熔融温度（TM）分别为－26℃和75℃。它既可以在－26～75℃长期稳定使用，也可以在80℃下封装，这正好满足了钙钛矿太阳能电池的封装和使用要求。
评估钙钛矿太阳能模块泄漏有毒铅的实验过程如图5所示。
图5 评估钙钛矿太阳能模块泄漏有毒铅的实验过程示意图
由图5可知，根据ASTME1038标准，模拟了钙钛矿光伏组件在实际工况条件下的冰雹损伤（100G钢球，50.8CM），模拟酸性强降雨（PH＝4.2／7.0，5ML／H）在受损太阳能微型组件上滴水，均形成约为1CM2的滴水面积，通过ICP－MS检测收集雨水中PB2+浓度，表征受损装置滴水后的铅泄露。
表1 受损装置滴水后收集液中PB2+浓度
分别用PVB和PVB－AHMA封装PBI2薄膜、钙钛矿薄膜和钙钛矿器件，在50.8CM高处使用100G钢球进行自由落体冲击来检测样品的抗冲击性，受损样品再以5ML／H条件滴水观察，封装和未封装设备图像及落球冲击和滴水实验后的图像如图6所示。
图6（A1）～（G1）中，受损微模块中的ITO和封装玻璃破裂。PVB和PVB－AHMA封装的PBI2薄膜、钙钛矿薄膜和钙钛矿器件极强的抗冲击性与未封装钙钛矿器件的不抗冲击性形成鲜明对比，可以看出，AHMA与PBI2薄膜、钙钛矿薄膜、钙钛矿器件和PVB封装材料都具有良好的附着力。
图6 封装和未封装设备图像及落球冲击和滴水实验后的图像
雨水冲刷是光伏建筑一体化的常见工况。在这项工作中，首先，模拟强降雨（PH＝7.0，5ML／H）在受损的PBI2薄膜和钙钛矿薄膜封装设备上滴水，由表1（A2）、（B2）可知，强降雨1.5H后，PVB－AHMA组合封装比PVB封装的PBI2薄膜减少了51%的铅泄露。
由表1（C2）、（D2）可知，强降雨48H后，PVB－AHMA组合封装比PVB封装的钙钛矿薄膜减少了92%的铅泄露。由图6（C2）、（D2）可以看出，PVB封装设备在经历48H冲刷后，有部分玻璃脱落，但是PVB－AHMA封装设备并未出现脱落现象，证明在粘接和耐水的综合性能方面AHMA优于PVB。
然后，模拟更恶劣的降雨工况（PH＝4.2，5ML／H）在受损的钙钛矿器件封装设备上滴水，由表1（E2）、（f2）可知，强降雨1.5H后，PVB－AHMA组合封装比PVB封装的钙钛矿器件减少了99%的铅泄露。
由表1（E2）~（G2）可知，强降雨1.5H后，PVB封装比未封装的钙钛矿器件减少了96%的铅泄露，证明PVB极强的抗冲击性可防止雨水进入受损的钙钛矿器件，减少有毒铅的泄漏。
如前所述，自由铅离子可被AHMA进一步吸附。严重损坏PSCS大于99%的铅泄漏可被AHMA吸附和阻隔，避免了钙钛矿光伏建筑一体化可能造成的环境污染。
PVB－玻璃可以在130°C下热压2H获得，然后将AHMA均匀地涂覆在PVB表面上，并在80℃下与PSCS热压20MIN，最终得到封装后的PSCS。一般钙钛矿光伏电池在80°C下非常稳定，因此，本工作避免了PSCS在高温封装过程中的器件分解。最后，在设备周围使用防水胶密封，用于防水。封装前后PSCS的性能参数见表2。
表2 封装前后PSCS的性能参数
基于ITO／SNO2／CSFAMAPBI3／PEAI／SPIRO－OMETAD／MOO3／Aｕ结构的钙钛矿太阳能电池，封装前PCE为21.58%。
基于相同结构的PSCS，封装后实现了20.88%的PCE，稳定性良好。另外，在正向和反向电压扫描下，器件封装前后的J－V曲线基本重合，表明AHMA和PVB封装的PSCS没有界面缺陷。
通过自由基共聚合成了一种丙烯酸酯类热熔胶（AHMA），它可以通过离子相互作用吸收水溶液中的PB2+，利用该特性制备了基于“玻璃／钙钛矿电池／AHMA／PVB／玻璃”结构的安全夹层钙钛矿光伏电池，封装后的光伏电池具有优异的抗冲击性，在遭受1.5H强降雨后，受损PSCS的铅泄漏量可以减少到1μG／L，低于饮用水中的铅安全水平，为钙钛矿光伏建筑一体化奠定了基础。
原文始发于微信公众号（光伏产业通）：钙钛矿光伏电池封装材料的合成及性能研究
