【儀表網 研發快訊】鈣鈦礦太陽能電池憑借其高光電轉換效率與低制造成本，正成為下一代光伏技術商業化進程中的領跑者。然而，其固有的穩定性難題與潛在的鉛泄漏風險，嚴重阻礙了大規模應用與可持續發展。現有封裝材料多沿用傳統硅電池技術，雖能提供基礎保護，卻普遍缺乏損傷自修復能力。一旦封裝層在戶外復雜環境中產生裂紋，其屏障功能將永久失效，導致水分與氧氣侵入、性能加速衰減，并引發不可逆的鉛污染風險。因此，亟需開發一種能夠快速響應損傷、具備高效自修復能力與主動鉛捕獲功能的新型封裝材料，這已成為推動鈣鈦礦光伏技術實現安全、可持續商業化所必須突破的關鍵瓶頸。
針對上述問題，西安交通大學前沿院魯廣昊教授團隊與合作者通過創新的分子設計，開發了一種烷氧基聚乙烯咪唑雙(三氟甲磺酰基)酰亞胺動態離子基團的聚合物封裝材料。其核心設計思路在于引入柔性烷氧基側鏈以降低材料玻璃化轉變溫度，同時利用大體積、電荷高度離域的雙(三氟甲磺酰基)酰亞胺陰離子與咪唑陽離子構建動態可逆的離子聚集體，形成獨特的“軟-硬”協同結構。該封裝材料的自愈合能力源于其內部動態離子聚集體的熱響應行為，即當材料受損受熱時，聚集體內的靜電作用減弱，離子發生解離并攜帶聚合物鏈段向裂紋界面遷移并重新結合，實現自主修復。這一過程由焓變(ΔH<0)和熵增(ΔS>0)共同驅動，使體系吉布斯自由能降低(ΔG<0)，從而在熱力學上自發完成快速愈合。實驗表明，該封裝層在50 ℃下經過6分鐘即可完全修復損傷裂紋，85 ℃下修復僅需50秒。
基于該材料設計與愈合機制，封裝層展現出優異的綜合性能，它不僅具備高透明度、強附著力與優異的水氧阻隔性，更通過自愈合物理屏障與化學吸附的協同作用，在模擬暴雨等惡劣條件下對鉛泄漏實現了超過99%的抑制效率。封裝器件在加速老化測試中表現出長期穩定性，經過1500小時的濕熱測試和300次熱循環后，EP封裝器件分別保持了其初始效率的95.17%和93.53%。本研究通過將“被動封裝”升級為“主動修復”，為鈣鈦礦光伏技術的可靠性提供了關鍵解決方案。
該研究成果以《離子聚集體介導的快速自修復聚合物實現可持續鈣鈦礦太陽能電池的有效封裝》(A rapid self-healing polymer mediated by ion aggregates achieves effective encapsulation of sustainable perovskite solar cells)為題，發表在國際權威期刊《科學進展》(Science Advances)。西安交通大學前沿院助理教授王雙潔為論文第一作者，西安交通大學前沿院王雙潔、魯廣昊教授和西北工業大學材料學院李炫華教授為通訊作者。以上工作得到國家自然科學基金、陜西省科學技術創新項目、中國科學院戰略性先導科技專項和中央高校基本科研業務費等項目的資助。表征以及測試工作得到西安交通大學分析測試中心的支持。
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