钙钛矿太阳能电池优质封装的关键要素与实用策略

摘要

真空层压被视为钙钛矿电池封装的一种有前景的方法，它既与传统光伏（PV）制造中的现有工业流程兼容，又适合在钙钛矿应用中取得良好效果。

理想封装材料应具有防止水分侵入、承受高温以及具备合适机械性能以避免热机械问题等方面的能力。

法国国家科学研究中心Carolin Ulbrich等研究人员利用 “钙钛矿测试” 概念（一种样品制备简单的光学测试方法）来评估封装质量，并通过完整的太阳能电池堆栈对研究结果进行了验证。

结果，没有边缘密封剂的封装材料对水分的防护不足。离聚物与丁基边缘密封剂结合表现出最佳的阻隔性能；然而，这种堆栈在热循环测试中导致电池层快速分层。仅使用边缘密封剂的配置原则上不存在此类问题（未施加机械应力），但堆栈中缺少聚合物在光学设计方面不利，并且有时会出现钙钛矿降解现象，研究认为这是由于丁基本身截留的水分所致。带有丁基边缘密封剂的聚烯烃并非完全没有降解，但通过了湿热测试，在热循环实验中出现的问题较少，展现出了最有前景的折衷方案。

研究背景

钙钛矿太阳能电池（PSCs）是可再生能源领域的潜力技术，但对环境因素敏感，封装技术对其稳定性和商业可行性至关重要。理想的封装材料需具备防水氧渗透、化学稳定、加工温和、高透明度、与钙钛矿层兼容等特性。玻璃 / 玻璃封装是 PSCs 商业化的有前景途径，常见封装材料各有优劣。

研究方法

对比不同温度（130°C 或 150°C）处理的离聚物（Mitsui PV8729D）和聚烯烃（Mitsui TR02BA-50T）封装剂，评估其单独使用、与丁基边缘密封剂（Quanex SET LP03）组合使用，以及仅使用边缘密封剂的情况。采用 “钙钛矿测试”（PK - 测试）和全电池测试评估封装质量，对封装材料进行热机械性能和渗透性能测试。

封装剂阻挡效果及性能影响

离子聚合物的水汽渗透率低于聚烯烃，在阻挡水汽进入方面表现更优。聚烯烃的渗透率随层压温度升高而增加。PK - 测试中，聚烯烃封装的样品在湿热环境下性能下降快，离子聚合物封装的样品性能相对稳定；添加丁基边缘密封剂后，两种材料封装的样品抗水汽渗透能力均显著提升。全电池测试验证了 PK - 测试可有效评估封装质量。

加工条件的重要性

聚烯烃在 150°C 层压时发生交联，虽有助于防止机械蠕变，但会增加水汽渗透率。仅使用丁基封装时，热压封装的样品性能下降快，真空层压封装的样品相对稳定。额外实验表明，丁基层压前干燥或使用新鲜丁基可减少水分影响，添加覆盖封装剂不一定能提高电池稳定性，但在器件放大生产时有助于增强模块结构稳健性。

封装剂对器件机械完整性的影响

热循环测试中，丁基 + 离子聚合物封装的器件首轮循环后全区域分层；丁基 + 聚烯烃封装的器件部分在第五轮循环后局部分层，部分 200 轮循环后未分层，但效率仍有下降；仅丁基封装的器件未分层，但电池性能在 200 轮循环后平均下降 38%。DMA 测试显示，离子聚合物玻璃化转变温度在热循环范围内，模量变化大易导致分层；聚烯烃模量变化较小，分层需更多循环积累。

研究结论

选择合适封装剂需综合考虑多方面因素。边缘密封剂对获得最佳阻挡性能必不可少且原则上足够，但额外的聚合物封装剂对优化光学性能和提供额外阻挡性能也很重要。离子聚合物阻挡性能好，但机械性能欠佳；聚烯烃与丁基结合是较好的折衷方案，未来可探索更柔软的封装剂以避免分层。本研究未涉及封装剂的铅容纳能力和环境影响等方面，有待进一步研究。

论文标题：《Tips and Tricks for a Good Encapsulation for Perovskite‐Based Solar Cells》

发表期刊：《Progress in Photovoltaics: Research and Applications》

发表时间：2025年1月24

作者：Quiterie Emery | Lea Dagault | Mark Khenkin | Nikoleta Kyranaki | Wander Max Bernardes de Araújo | Ulas Erdil | Matthias Demuylder | Stephane Cros | Rutger Schlatmann | Bernd Stannowski | Carolin Ulbrich