一种有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯及制备和使用方法

1.本发明属于改性抗老化封装材料在钙钛矿光伏的研究，涉及一种有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯及制备和使用方法，特别是涉及一种通过有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯实现良好封装的钙钛矿太阳能电池。


背景技术：

2.钙钛矿太阳能电池具有光吸收能力强、对杂质不敏感、载流子寿命长等优势，在效率提升和降低成本等方面均具备较大潜力，因而受到全球研究者的广泛关注。由于钙钛矿吸光层存在易水解、高温易分解、温度变化下相变、光照和氧气作用下发生光致分解等问题。因此，钙钛矿器件的稳定性是钙钛矿光伏产业发展亟待解决的关键难题。(science 2023,379,399.sci.adv.2021,7,eabg0633.joule 2022,6,1032.adv.mater.2019,31,1806823.chem.soc.rev.,2022,51,7509-7530.)目前，产业界普遍采用聚烯烃弹性体(poe)加丁基胶(pib)的封装方式，该封装策略可以有效阻隔外部水汽和氧气对器件的破坏，显著提升钙钛矿器件的稳定性。然而，该封装策略在封装过程中需进行真空热压，这无疑增加了器件制造成本，同时，高温真空环境对钙钛矿电池极为不利，易诱发钙钛矿的晶格畸变，对器件效率造成影响。因此，开发适用于钙钛矿电池的新型封装材料对提升器件性能，推进钙钛矿电池走向产业化具有极为重要的意义。
3.对于钙钛矿电池的封装聚合物而言，其不仅要具备优异的水汽和氧气阻隔性能，同时还要保证良好的透明性和电绝缘性。聚碳酸酯(pc)是一种无毒、无定形的热塑性聚合物，具有极佳的透明性、优异的电绝缘性、较高的耐热性和尺寸稳定性等优势，有望成为理想的钙钛矿太阳能电池封装材料。但聚碳酸酯分子结构中含有大量的苯环结构，其分子链刚度大，分子链内部残余应力较多，存在耐溶剂性差、制品易发生应力开裂等问题，同时在受到光照的条件下容易老化，从而影响其使用寿命，一定程度上限制了聚碳酸酯的应用。有机硅树脂具有透光率高、耐紫外光性强、内应力小等性能优势，其柔性的硅氧烷链段能够有效缓解聚合物中的应力累积，丰富的活性端基也有助于提高聚合物体系的交联程度，抑制溶剂的吸收与扩散，从化学结构层面有效改善聚碳酸酯的耐溶剂性与抗应力开裂性。然而，受限于材料设计的不足，将有机硅树脂改性聚碳酸酯用于钙钛矿太阳能电池封装鲜有报道。


技术实现要素：

4.要解决的技术问题
5.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯及制备和使用方法，
6.技术方案
7.一种有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯，其特征在于组份重量份为：20～40g的聚碳酸酯树脂粉料pc，40～80g的聚二甲基硅氧烷htps，5～10g的3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲
氧基硅烷；所述聚碳酸酯树脂粉料包括但不限于异山梨醇型聚碳酸酯；所述聚二甲基硅氧烷包括但不限于羟基封端的聚二甲基硅氧烷。
8.一种权利要求1所述有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯的制备方法，其特征在于步骤如下：
9.步骤1：室温下将20～40g的聚碳酸酯树脂粉料pc和40～80g的聚二甲基硅氧烷htps溶解在50～70ml四氢呋喃中搅拌反应；
10.步骤2：随后向体系中加入5～10g的3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷，搅拌聚合反应；
11.步骤3：再向反应体系中加入0.5～1ml乙醇终止反应，抽真空除去残留的四氢呋喃后，得到无色粘稠液体有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯spc。
12.所述步骤1的搅拌反应条件为：在60～80℃下搅拌反应0.5～1h。
13.所述步骤2的搅拌聚合反应条件为：升温至80～100℃下搅拌聚合反应1～2h。
14.一种所述有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯的使用方法，其特征在于用于封装的钙钛矿太阳能电池。
15.所述封装过程为：将spc、光稳定剂和催化剂二月桂酸二丁基锡混合，在室温下搅拌后，将未固化的聚合物凝胶滴加在盖板玻璃上；利用旋涂仪制备厚度均一的有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯薄膜，将表面涂敷有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯涂层的盖板玻璃压在钙钛矿电池上，在室温下聚碳酸酯与有机硅树脂链段间发生交联固化实现钙钛矿电池封装。
16.所述spc、光稳定剂和催化剂二月桂酸二丁基锡的比例为3～5g的spc、10～30mg的光稳定剂和40～80mg的催化剂二月桂酸二丁基锡。
17.所述spc、光稳定剂和催化剂二月桂酸二丁基锡在室温下搅拌5～10分钟后使用。
18.所述利用旋涂仪的转速为1000～5000rpm，时间为30～50s。
19.所述光稳定剂为受阻胺光稳定剂。
20.有益效果
21.本发明提出的一种有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯及制备和使用方法，首先是制备一种有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯，通过调控有机硅单体、光稳定剂与聚碳酸酯树脂粉料的比例，制备出透明性好、抗老化性与黏结性能优异的聚合物凝胶。然后将合成的有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯凝胶旋涂在盖板玻璃上，将玻璃紧紧地压合在钙钛矿器件表面，在室温下聚碳酸酯与有机硅树脂链段间发生交联固化实现钙钛矿电池封装。这种有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯具有透明、抗老化性好、密封性优异的特点，这种封装工艺可以满足钙钛矿器件的商业化生产流程的要求，提高钙钛矿太阳能电池的使用寿命。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
23.(1)相比于现有的乙烯-辛烯共聚物封装材料存在的成本较高、加工难度偏大，膜唇容易挂料等问题，所采用的有机硅改性聚碳酸酯兼具有机硅树脂透明度高、耐黄变、内应力小等优势和聚碳酸酯出色的电绝缘性、耐热性和抗应力开裂性能，其中有机硅成分有效改善了聚碳酸酯韧性低、加工性能差的缺陷，使其更适配于钙钛矿太阳能电池器件的无损封装。同时，该封装材料合成步骤简单，成本低廉，原料来源广泛。
24.(2)相比于紫外光固化封装过程中脱气蒸汽和真空热压封装过程中真空高压环境
对钙钛矿造成损坏，该有机硅改性聚碳酸酯可实现室温下快速固化，封装过程简便、安全，无需使用封装设备，对太阳能光伏器件的性能损失更小。
25.采用合成的有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯实现钙钛矿太阳能电池的室温快速封装。通过应用研究发现，封装后的钙钛矿电池效率损失为≤0.5％；另外，封装后的器件在50～60℃最大功率点追踪下运行1000小时保持初始效率的94％～97％，而常规封装工艺的效率损失为3％～5％，且封装后器件在50～60℃最大功率点追踪下运行1000小时仅初始效率的80％～90％。该工艺具有极好商业前景，有助于进一步推进钙钛矿光伏器件的产业化应用。
附图说明
26.图1是封装后的钙钛矿太阳能电池实物图
27.图2是封装后钙钛矿太阳能电池的光电转化效率变化图
28.图3是封装后钙钛矿太阳能电池的操作稳定性测试
具体实施方式
29.现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
30.本发明提供一种通过有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯，主要步骤如下：
31.步骤1，聚合物材料的制备：所述的有机硅树脂改性聚碳酸酯主要通过聚碳酸酯树脂粉料(pc,20～40g)，聚二甲基硅氧烷(htps,40～80g)和3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(5～10g)聚合反应制备而成，其中，所述的聚碳酸酯树脂粉料优选异山梨醇型聚碳酸酯(pic,20～40g)，所述的聚二甲基硅氧烷优选羟基封端的聚二甲基硅氧烷。
32.室温下将聚碳酸酯树脂粉料(pc,20～40g)和羟基封端的聚二甲基硅氧烷(htps,40～80g)溶解在50ml四氢呋喃中，在60℃下搅拌反应0.5h。随后向体系中加入3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(5～10g)，升温至80℃下搅拌聚合反应1h。然后，向反应体系中加入0.5ml乙醇终止反应，抽真空除去残留的四氢呋喃后，得到无色粘稠液体有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯(spc)。
33.钙钛矿太阳能电池的封装工艺：将3～5g spc、10～30mg光稳定剂和40～80mg催化剂二月桂酸二丁基锡在玻璃瓶中混合，在室温下搅拌5～10分钟后，用移液枪取0.5～1ml的未固化的聚合物凝胶滴加在盖板玻璃上。利用旋涂仪制备厚度均一的有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯薄膜，转速为1000～5000rpm，时间为30s。将表面涂敷有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯涂层的盖板玻璃压在钙钛矿电池上，静置15～30min。等待封装材料完全固化，即可得到封装的钙钛矿太阳能电池。
34.作为优选：所述光稳定剂为受阻胺光稳定剂。
35.实施例一：
36.室温下将聚碳酸酯树脂粉料(pc,20g)和羟基封端的聚二甲基硅氧烷(htps,40g)溶解在50ml四氢呋喃中，在60℃下搅拌反应0.5h。随后向体系中加入3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(8g)，升温至80℃下搅拌聚合反应1h。然后，向反应体系中加入0.5ml乙醇终止反应，抽真空除去残留的四氢呋喃后，得到无色粘稠液体有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯[spc]。
[0037]
将3g spc、10mg光稳定剂和40mg催化剂二月桂酸二丁基锡在玻璃瓶中混合，在室温下搅拌10分钟后，用移液枪取0.6ml的未固化的聚合物滴加在盖板玻璃上。利用旋涂仪制备厚度均一的有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯薄膜，转速为1000rpm，时间为30s。将表面涂敷有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯涂层的盖板玻璃压在钙钛矿电池上，静置15min。等待封装材料完全固化，即可得到封装的钙钛矿太阳能电池。
[0038]
测试结果：封装前器件效率为22.03％，封装后器件效率为21.91％，效率衰减0.5％；封装后的器件在50-60℃最大功率点追踪下运行1000小时保持初始效率的94.9％。
[0039]
实施例二：
[0040]
室温下将聚碳酸酯树脂粉料(pc,30g)和羟基封端的聚二甲基硅氧烷(htps,80g)溶解在50ml四氢呋喃中，在60℃下搅拌反应0.5h。随后向体系中加入3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(10g)，升温至80℃下搅拌聚合反应1h。然后，向反应体系中加入0.5ml乙醇终止反应，抽真空除去残留的四氢呋喃后，得到无色粘稠液体有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯[spc]。
[0041]
将5g spc、20mg光稳定剂和60mg催化剂二月桂酸二丁基锡在玻璃瓶中混合，在室温下搅拌8分钟后，用移液枪取0.8ml的未固化的聚合物滴加在盖板玻璃上。利用旋涂仪制备厚度均一的有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯薄膜，转速为3000rpm，时间为30s。将表面涂敷有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯涂层的盖板玻璃压在钙钛矿电池上，静置20min。等待封装材料完全固化，即可得到封装的钙钛矿太阳能电池。
[0042]
测试结果：封装前器件效率为22.21％，封装后器件效率为22.14％，效率衰减0.3％；封装后的器件在50-60℃最大功率点追踪下运行1000小时保持初始效率的95.6％。
[0043]
实施例三：
[0044]
室温下将聚碳酸酯树脂粉料(pc,40g)和羟基封端的聚二甲基硅氧烷(htps,60g)溶解在50ml四氢呋喃中，在60℃下搅拌反应0.5h。随后向体系中加入3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(5g)，升温至80℃下搅拌聚合反应1h。然后，向反应体系中加入0.5ml乙醇终止反应，抽真空除去残留的四氢呋喃后，得到无色粘稠液体有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯[spc]。
[0045]
将4g spc、30mg光稳定剂和80mg催化剂二月桂酸二丁基锡在玻璃瓶中混合，在室温下搅拌5分钟后，用移液枪取1ml的未固化的聚合物滴加在盖板玻璃上。利用旋涂仪制备厚度均一的有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯薄膜，转速为5000rpm，时间为30s。将表面涂敷有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯涂层的盖板玻璃压在钙钛矿电池上，静置30min。等待封装材料完全固化，即可得到封装的钙钛矿太阳能电池。
[0046]
测试结果：封装前器件效率为22.12％，封装后器件效率为22.03％，效率衰减0.4％；封装后的器件在50-60℃最大功率点追踪下运行1000小时保持初始效率的94.6％。
[0047]
实施例对照组：
[0048]
在氮气手套箱中，将无封装材料的钙钛矿电池作为对照组。
[0049]
图1封装后钙钛矿电池的金属电极测和入射光测，基于该有机硅树脂改性聚碳酸酯树脂可实现钙钛矿太阳能电池的成功封装。
[0050]
图2利用有机硅树脂改性聚碳酸酯树脂对钙钛矿器件进行封装，封装前后钙钛矿器件的性能没有明显的衰减，表明利用有机硅树脂改性聚碳酸酯树脂可以实现钙钛矿器件
的高效无损封装。
[0051]
图2将未封装和有机硅树脂改性聚碳酸酯树脂封装的钙钛矿电池进行操作稳定性测试，未封装的钙钛矿器件在500小时后器件效率衰减至初始效率的61％，而基于有机硅树脂改性聚碳酸酯树脂封装的钙钛矿电池运行1000小时后仍保持初始效率的96％，表明利用有机硅树脂改性聚碳酸酯树脂封装可实现钙钛矿器件出色的运行稳定性。
[0052]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

技术特征：
1.一种有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯，其特征在于组份重量份为：20～40g的聚碳酸酯树脂粉料pc，40～80g的聚二甲基硅氧烷htps，5～10g的3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷；所述聚碳酸酯树脂粉料包括但不限于异山梨醇型聚碳酸酯；所述聚二甲基硅氧烷包括但不限于羟基封端的聚二甲基硅氧烷。2.一种权利要求1所述有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：室温下将20～40g的聚碳酸酯树脂粉料pc和40～80g的聚二甲基硅氧烷htps溶解在50～70ml四氢呋喃中搅拌反应；步骤2：随后向体系中加入5～10g的3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷，搅拌聚合反应；步骤3：再向反应体系中加入0.5～1ml乙醇终止反应，抽真空除去残留的四氢呋喃后，得到无色粘稠液体有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯spc。3.根据权利要求1所述有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯的制备方法，其特征在于：所述步骤1的搅拌反应条件为：在60～80℃下搅拌反应0.5～1h。4.根据权利要求2所述有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯的制备方法，其特征在于：所述步骤2的搅拌聚合反应条件为：升温至80～100℃下搅拌聚合反应1～2h。5.一种权利要求1所述有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯的使用方法，其特征在于用于封装的钙钛矿太阳能电池。6.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于：所述封装过程为：将spc、光稳定剂和催化剂二月桂酸二丁基锡混合，在室温下搅拌后，将未固化的聚合物凝胶滴加在盖板玻璃上；利用旋涂仪制备厚度均一的有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯薄膜，将表面涂敷有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯涂层的盖板玻璃压在钙钛矿电池上，在室温下聚碳酸酯与有机硅树脂链段间发生交联固化实现钙钛矿电池封装。7.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于：所述spc、光稳定剂和催化剂二月桂酸二丁基锡的比例为3～5g的spc、10～30mg的光稳定剂和40～80mg的催化剂二月桂酸二丁基锡。8.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于：所述spc、光稳定剂和催化剂二月桂酸二丁基锡在室温下搅拌5～10分钟后使用。9.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于：所述利用旋涂仪的转速为1000～5000rpm，时间为30～50s。10.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于：所述光稳定剂为受阻胺光稳定剂。

技术总结
本发明涉及一种有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯及制备和使用方法，首先是制备一种有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯，组份重量份为：20～40g的聚碳酸酯树脂粉料PC，40～80g的聚二甲基硅氧烷HTPS，5～10g的3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷；所述聚碳酸酯树脂粉料包括但不限于异山梨醇型聚碳酸酯；所述聚二甲基硅氧烷包括但不限于羟基封端的聚二甲基硅氧烷。通过调控有机硅单体、光稳定剂与聚碳酸酯树脂粉料的比例，制备出透明性好、抗老化性与黏结性能优异的聚合物凝胶。这种有机硅树脂改性抗老化聚碳酸酯具有透明、抗老化性好、密封性优异的特点，这种封装工艺可以满足钙钛矿器件的商业化生产流程的要求，提高钙钛矿太阳能电池的使用寿命。使用寿命。使用寿命。


技术研发人员：李炫华 王彤 冯广鹏
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/16