第三代太阳能电池主要包括染料敏化太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、钙钛矿光伏电池等，此类太阳能电池器件的理论效率较高，制备工艺相对简单且原料丰富，可以薄膜化，因而得到国内外科研工作者的一致肯定。
钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为第三代新概念太阳能电池，具有高光电转换效率、低成本、可柔性加工等优点，近年来发展迅速，其光电转换效率已经达到25.5%，可与硅电池媲美。
钙钛矿电池已接近商业化应用水平，同时也带动了与钙钛矿电池产业化配套行业的发展。
目前实现钙钛矿光伏电池产业应用的关键环节在于电池封装，封装材料的性能优劣直接影响光伏组件的整体输出性能和稳定性。
从聚合物封装材料性能方面来看，影响PSCs封装稳定性的关键因素有3方面。
一为封装温度。过高的封装温度导致密封过程中产生的热应力会损坏PSCs，导致封装后的净效率损失。
目前封装温度主要集中在140℃左右，一般配合热稳定性更好的有机-无机杂化钙钛矿，如Cs+掺杂的MAPbI3薄膜或FAPbI3薄膜。
二为水蒸气透过率。目前聚异丁烯(PIB)的水蒸气透过率可达0.15~0.70g/(m2·d)，相较于乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)与环氧树脂，PIB在阻水性能上拥有巨大优势。
需要注意的是，密封剂的封装性能不仅取决于水蒸气的透过率，还取决于密封方法以及各层材料之间的附着力。
因此，封装过程中应合理控制器件周围的空隙，空隙过大会促进挥发性物质从钙钛矿中逸出，而空隙过小可能会对PSCs器件的活性层造成热损伤。
EVA被广泛应用于PSCs封装中，其主要原因是它的弹性模量较低，可以避免在热压封装过程中出现因热膨胀而产生的分层或开裂现象。
由于聚烯烃弹性体(POE)弹性模量与EVA相近，并且其抗电势诱导衰减(PID)性能优于EVA，因此被尝试用于器件的封装。但是，其透光率相较沙林树脂与EVA低2%~8%。
沙林树脂与EVA相比弹性模量高一个数量级，所以在应用过程中很容易因热膨胀而发生分层或开裂现象。
在正常工作运行情况下，光伏组件应在上述复杂的环境下持续工作25~30年，并且其功率衰减幅度应维持在20%以下，这对封装材料提出了更严峻的挑战。
选择合适的封装材料和封装工艺是光伏组件长期稳定运行的重要保证，它不仅可以解决钙钛矿光伏器件稳定性问题，还可以满足电池安全、环保、延长使用寿命等要求。
综上所述，研制一种高性能的钙钛矿光伏电池封装材料具有重要的意义。
选取AA、BA、MA三种单体，通过自由基聚合制备PAA-MA-BA三元共聚物。
钙钛矿光伏电池器件的结构依次为FTO/TiO2/FA0.92Cs0.88PbI3/Spiro-OMeTAD/Au。
器件制备主要按照下面4个步骤：①清洗FTO玻璃；②制备电子传输层；③制备钙钛矿吸光层；④制备空穴传输层、金电极。
采用热压将按1.3中所述方法制备的钙钛矿光伏电池器件进行完全覆盖封装。封装结构采用玻璃/PVB/PAA-MA-BA聚合物复合封装。
在器件上分别放置PAA-MA-BA的聚合物薄膜以及PVB膜片，最上层用玻璃进行封盖，制成玻璃/PVB/PAA-MA-BA聚合物/钙钛矿太阳能器件的“三明治”结构，在80℃的条件下热压20min进行封装。
图1 钙钛矿电池封装结构
FT⁃IR光谱测试
采用红外光谱仪，通过ATR法测试PAA-MA-BA聚合物薄膜样品的红外光谱，扫描范围为400~4000cm-1。
采用紫外可见近红外分光光度计，在360~1000nm的波长范围内，测试试样的透光率,并绘制了透光率-波长(T-λ)曲线。
参考GB/T2410-2008，通过式（1）计算每个试样的可见光透光率（T）。
式中：T555、T700和T900分别表示在波长为555、700、900nm处试样的透光率。
参考GB/T7124-2008，在温度为25℃、相对湿度为35%、拉伸速率为5mm/min的条件下，用黏接强度试验机测试试样的剪切强度。
图2 样品的黏接剪切强度测试示意图
用落球冲击试验机对封装前后钙钛矿光伏电池的抗冲击性能进行测试。
将50g的钢球在60cm高度处自由落下，垂直冲击封装好的钙钛矿光伏电池器件与未经封装器件，反复3次，观察其破碎情况。
用FT-IR光谱对三元聚合物进行了表征，结果如图3所示。
由图3可知，2958、2932、2873cm-1处出现了甲基和亚甲基的对称伸缩振动吸收峰；1729cm-1处出现了羧酸中羰基的伸缩振动峰；1448cm-1处出现了-CH3的弯曲振动吸收峰。
1637cm-1处并没有出现C=C的伸缩振动峰，同时890~910cm-1处C-H没有出现面外弯曲振动吸收峰，表明共聚物体系中不存在C=C，说明该聚合反应实现了单体共聚，没有单体残余。
AA的折射率为1.422，MA的折射率为1.402，BA的折射率为1.417。通过计算可得，AA反射率为0.030，MA的反射率为0.028，BA的反射率为0.030。
反射率越小，透光率越大，透明性越好。图4为不同AA质量分数的PAA-MA-BA聚合物透光率。
由图4可知，随着AA质量分数的增加，透光率逐渐上升。
根据式（1）计算可得，当AA质量分数为0、4%、7%、10%时，聚合物的透光率分别为82.86%、83.58%、83.94%、84.67%。
当可见光的波长为400~760nm时，透光率最大可达90.28%。
透光率测试结果表明，PAA-MA-BA聚合物的透光率可以满足钙钛矿电池的封装要求。
图4 不同AA质量分数的PAA-MA-BA聚合物透光率
图5为不同AA质量分数的PAA-MA-BA聚合物黏接玻璃的应力-位移和剪切强度曲线。
图5 不同AA质量分数的PAA-MA-BA聚合物黏接玻璃的应力-位移和剪切强度曲线
由图5可知，随着AA质量分数的增加，剪切强度呈现出先增大再降低的趋势，并在AA质量分数为7%时达到极值，为0.89MPa。
因此，为了保证钙钛矿光伏电池在封装后具有良好的性能，选择AA质量分数7%为宜。
根据1.5.3中所示的方法，分别表征了PVB、PbI2、PVK、Spiro-OMeTAD、Al和Glass材料与聚合物薄膜的剪切强度。
图6为AA质量分数为7%的PAA-MA-BA聚合物与钙钛矿各层材料的剪切强度。
图6 AA质量分数为7%的PAA-MA-BA聚合物与钙钛矿各层材料剪切强度
由图6可知，PVB、PbI2、Spiro-OMeTAD、PVK、Al、Glass黏接强度分别为0.85、0.79、0.72、1.03、0.79、0.89MPa，表明其对钙钛矿器件中各层材料均表现出较为优异的黏接性能，进一步证实了其作为钙钛矿光伏封装材料的可行性。
综上所述，从剪切强度角度考虑，PAA-MA-BA是一种较为理想的钙钛矿电池封装材料。但是，从电池效率考虑，热压封装后是否会对电池效率产生影响仍需要进一步测试。
对封装好的钙钛矿太阳能器件进行了效率测试。图7为封装前后钙钛矿光伏电池的J-V曲线。
图7 封装前后钙钛矿光伏电池J⁃V曲线
在太阳能转换系统标准测试光谱AM1.5G、辐照功率为100mW/cm2的光照射下的光伏性能参数如表1所示，表中结果是20个电池的平均值。
从封装前后钙钛矿光伏电池的效率对比可以看出，封装后钙钛矿光伏电池器件相较于封装前仍可以保持初始PCE的93.3%，平均效率降低幅度仅为1.47%，封装后器件平均效率可达20.59%。
测试结果表明，PAA-MA-BA可以适用于钙钛矿器件的封装。
表1 钙钛矿光伏电池光伏性能参数
对PAA-MA-BA聚合物和PVB膜复合封装后的钙钛矿光伏电池器件进行了抗冲击测试，结果如图8所示。
图8 抗冲击测试结果
由图8可知，落球冲击后试样满足GB/T9656-2003的要求，钢球未穿透试样，试样没有断成几块；使用玻璃/PVB/聚合物复合封装后器件的抗冲击性能有了明显的提升；钢球对玻璃产生冲击后，没有玻璃碎片的脱落与飞溅，很好地保持了器件的完整性；裂纹从冲击中心向边缘四周扩散，裂纹普遍在内部蔓延，最终形成放射线状裂纹，最终玻璃碎片仍黏结在聚合物膜和PVB膜上，并未脱落。
这一结果证明复合封装的封装效果较好，同时也说明这种复合封装方式具有一定的应用价值。
通过自由基共聚合工艺成功制备了PAA-MABA三元共聚物；利用其优异的剪切强度(0.89MPa)和透光率(90.28%)，将该聚合物应用于钙钛矿光伏电池器件的封装，并详细研究了其封装工艺。
结果表明，采用PAA-MA-BA封装的钙钛矿器件具有优异的抗冲击特性，封装器件具有较高的安全性；可在低温条件（80℃）下对器件进行封装，避免高温封装损伤器件。
资料来源：《钙钛矿光伏电池封装材料的制备与性能研究》，赵鹤鸣，陈丽萍，魏奇，于龙娇，杨健松，石富强，王世伟，辽宁省有色地质一〇三队有限责任公司
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原文始发于微信公众号（艾邦光伏网）：钙钛矿光伏电池封装材料的制备与性能研究
