一种由离子聚集体介导的快速自修复聚合物能够有效封装可持续使用的钙钛矿太阳能电池

《SCIENCE ADVANCES》：A rapid self-healing polymer mediated by ion aggregates achieves effective encapsulation of sustainable perovskite solar cells

开发了一种基于烷氧基聚乙烯亚胺双三氟甲磺酰亚胺（EP）的快速自修复封装材料，通过动态离子聚集实现机械损伤的6分钟（50℃）或50秒（85℃）自愈合，显著提升封装器件在湿热和热循环环境下的稳定性（分别保持95.17%和93.53%初始效率），并抑制99%以上的铅泄漏。EP兼具物理屏障自修复和化学铅吸附的双重功能，适用于刚性及柔性钙钛矿器件封装，为可持续光伏技术奠定基础。

　　在可再生能源领域，钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其出色的光电转换效率和较低的制造成本而备受关注。然而，尽管钙钛矿太阳能电池在技术上取得了显著进展，其在实际应用中仍面临两大挑战：材料的不稳定性以及其中含有的有毒铅元素可能引发环境污染。为了克服这些问题，研究者们探索了多种封装技术，旨在提高设备的稳定性和减少铅泄漏。其中，封装材料的选择尤为关键，因为它不仅需要提供物理屏障以防止水分和氧气的侵入，还需具备自修复能力，以应对日常使用中可能产生的机械损伤。

传统封装材料如乙烯-乙烯醋酸乙烯酯（EVA）、聚烯烃（POE）、聚氨酯等已被广泛应用于硅基太阳能电池的封装。这些材料虽然在提升设备稳定性方面表现良好，但在抑制铅泄漏方面则存在不足。为此，近年来研究人员开发了多种新型封装材料，例如基于聚酚的封装材料、紫外线固化材料以及氟硅酮聚合物凝胶。这些新型材料在提高设备稳定性和抑制铅泄漏方面展现出良好的性能。例如，一种基于聚酚的封装材料能够将铅含量控制在饮用水安全阈值以内，并在特定条件下保持超过90%的初始效率；而一种用于单结钙钛矿/硅叠层太阳能电池的紫外线固化封装材料则在浸泡于水中5小时后，铅泄漏抑制率达到约97%，并且在高温高湿条件下仍能保持93.5%的初始效率。

然而，这些传统封装材料仍存在一定的局限性。例如，它们通常不具备自修复能力，或需要在高温下长时间才能完成修复过程，这可能导致设备在受损后无法及时恢复，从而影响其长期运行稳定性，并增加铅泄漏的风险。因此，开发一种兼具自修复能力和高效铅泄漏抑制功能的封装材料成为研究的热点。

本文介绍了一种新型的自修复封装材料——基于烷氧基聚乙烯基咪唑双（三氟甲烷磺酰）亚胺（EP）。EP封装材料具有高透明度、良好的热稳定性、优异的紫外线抗性以及出色的水氧阻隔性能。更重要的是，它能够在短时间内实现自修复，从而维持设备的稳定性并有效抑制铅泄漏。实验结果表明，当EP封装的设备受到机械损伤后，其裂缝可以在50°C下6分钟内完全自愈，而在85°C下仅需50秒即可完成修复。这种快速的自修复能力不仅能够恢复设备的物理完整性，还能有效防止铅的扩散。

此外，EP封装材料在实际测试中展现出卓越的铅泄漏抑制能力。在模拟恶劣天气条件下，如持续降雨、酸雨或雹后降雨，EP封装的设备表现出远低于对照组和POE封装组的铅泄漏量。例如，在24小时持续降雨测试中，EP封装的设备铅泄漏量仅为0.16 ppm，而对照组和POE封装组则分别达到140.25 ppm和65.56 ppm，表明EP具有高达99.89%的铅捕获效率。在酸雨条件下，EP封装的设备铅泄漏量仅为4.87 ppm，其铅捕获效率达到98.76%。这种高效的铅捕获能力源于EP材料中丰富的烷氧基团，它们能够通过化学吸附作用将铅离子牢牢固定在封装层内，从而减少铅的扩散风险。

在实际应用中，EP封装材料还展现出良好的兼容性。它不仅适用于刚性太阳能电池，还能用于柔性太阳能电池（fPSCs）的封装。在柔性设备的封装测试中，EP能够承受反复折叠带来的机械应力，并在高温下迅速修复因弯曲产生的裂缝。这使得EP在提高柔性设备稳定性方面具有显著优势。实验表明，EP封装的柔性设备在经历5000次弯曲测试后，其效率仍能保持在较高水平，且在高温高湿条件下，其封装层仍能有效防止水分和氧气的渗透，从而维持设备的长期性能。

从材料的结构和性能来看，EP封装材料的自修复机制与其内部的离子聚集有关。EP分子中含有大量的离子对，这些离子对在受到外界刺激（如温度升高）时，能够发生动态重组，从而驱动分子链的运动，实现裂缝的快速修复。通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和宽角X射线散射（WAXS）等手段，研究人员发现EP内部的离子聚集具有动态可逆的特性，它们能够在不同温度下发生解离、迁移和重新组合，这一过程是EP实现自修复的核心机制。同时，通过差示扫描量热法（DSC）等热力学分析，研究者还揭示了EP自修复过程中的能量变化，表明其自修复行为既受到焓变的驱动，也与熵变密切相关。

EP封装材料不仅在物理性能上表现出色，在化学性能方面也具备显著优势。其高透明度和低水蒸气透过率（WVTR）使得封装后的设备在可见光范围内的透光率保持在90%以上，从而不影响太阳能电池的光电转换效率。此外，EP的低极性成分使其对水分子的亲和力较低，进一步增强了其对水分的阻隔能力。在紫外线照射条件下，EP封装材料表现出良好的稳定性，其透光率在700小时的紫外线照射后仅下降不到1%，显示出极强的抗紫外线能力。

在实际测试中，EP封装的太阳能电池在高温高湿条件下表现出优异的稳定性。例如，在85°C和85%相对湿度下进行1500小时的湿热测试后，其光电转换效率仍能保持在初始值的95.17%。而在经历300次热循环测试后，其效率仅下降至初始值的93.53%。相比之下，传统POE封装的设备在相同测试条件下效率下降更为显著，表明EP在提高设备长期运行稳定性方面具有明显优势。此外，即使在设备受到损伤后，EP封装材料仍能通过自修复能力恢复其性能，使其在后续的湿热测试中保持较高的效率。这种自修复特性使得EP封装材料在应对复杂环境变化时展现出更高的适应性和可靠性。

EP封装材料的优异性能不仅体现在其对设备稳定性的提升，还在于其对铅泄漏的抑制能力。在模拟极端天气条件的测试中，EP封装的设备在不同情况下均表现出极低的铅泄漏量。例如，在持续降雨测试中，EP封装的设备铅泄漏量仅为0.16 ppm，而在酸雨测试中，其铅泄漏量仅为4.87 ppm。这些结果表明，EP封装材料能够有效捕获并固定铅离子，从而显著降低铅的扩散风险。这一特性对于推动钙钛矿太阳能电池的商业化应用具有重要意义，因为铅的泄漏不仅影响设备性能，还可能对环境造成污染。

从材料的合成方法来看，EP封装材料是通过烷基化、离子交换和自由基聚合反应构建的。其分子结构经过核磁共振（NMR）、质谱（MALDI-TOF）和红外光谱（FTIR）等多种手段验证，确认了其合成的正确性和结构的完整性。通过凝胶渗透色谱（GPC）测定，EP的分子量在合理范围内，这为其良好的机械性能和自修复能力提供了基础。此外，EP的玻璃化转变温度（Tg）被设计得较低，使其在常温下保持一定的柔韧性，从而能够适应不同环境条件下的应用需求。

在实际应用中，EP封装材料的自修复能力不仅体现在其对机械损伤的响应上，还能够适应不同温度条件下的修复需求。例如，在模拟实际使用条件时，EP封装的设备在受到机械冲击后，其裂缝可以在正常工作温度（50°C）下迅速修复，而在高温条件下（85°C）则能在更短时间内完成修复。这种温度依赖性的自修复机制使得EP封装材料能够根据环境变化动态调整其修复效率，从而提供更全面的保护。

此外，EP封装材料还具备良好的粘附性能。通过剪切强度测试，EP在常温下的粘附强度达到4.15 MPa，且在经历1周的水浸泡后仍能保持3.65 MPa的粘附强度。这种强粘附性能使得EP能够牢固地粘附在玻璃或其他基材上，从而形成稳定的封装层。同时，其粘附性能在高温下仍能保持稳定，表明其具备良好的耐久性。

EP封装材料的自修复机制还与其分子结构的动态特性密切相关。在正常工作温度下，EP的非晶态区域表现出较高的弹性，而其结晶区域则形成紧密的分子网络结构。这种“软-硬”协同结构不仅增强了材料的机械强度，还有效抑制了裂缝的扩展。通过温控的宽角X射线散射（WAXS）和热重分析（TGA）等手段，研究人员进一步揭示了EP在不同温度下的结构变化，为理解其自修复机制提供了理论依据。

综上所述，EP封装材料在提升钙钛矿太阳能电池的稳定性、抑制铅泄漏以及适应复杂环境条件方面表现出卓越的性能。其自修复能力依赖于离子聚集的动态行为，能够在短时间内恢复设备的物理完整性，从而减少铅的扩散风险。同时，EP在机械性能、热稳定性、光学性能以及化学吸附能力等方面均优于传统封装材料，使其成为一种具有广泛应用前景的新型封装材料。未来，随着对材料性能的进一步优化，EP有望成为推动钙钛矿太阳能电池向可持续发展方向迈进的重要技术支撑。