Universal Encapsulation Adhesive for Lead Sedimentation and Attachable Perovskite Solar Cells with Enhanced Performance

Abstract

In this work, a modified polyurethane adhesive (PUA) was prepared to realize a convenient encapsulation strategy for lead sedimentation and attachable perovskite solar cells (A-PSCs). The modified PUA can completely self-heal within 45 min at room temperature with an efficient lead ion-blocking rate of 99.3%. The PUA film can be coated on a metal electrode with slight efficiency improvement from 23.96% to 24.15%. The thermal stability at 65 ℃ and the humidity stability at 55% relative humidity (RH) are superior to the devices encapsulated with polyisobutylene. The PUA film has strong adhesion to the flexible substrate and the initial efficiency of the flexible perovskite module (17.2%) encapsulated by PUA remains 92.6% within 1825 h. These results suggest that PUA encapsulation is universal for rigid and flexible PSCs with enhanced stability and low lead hazards. Moreover, it was found that flexible PSCs can be well attached to various substrates with PUA, providing a facile route for the A-PSCs in various scenarios without additional encapsulation and installation.

Keywords

adhesive / attachable device / flexible module / lead leakage / polyurethane

References

[1] Y. L. Chen , X. J. Zuo , Y. Y. He , F. Qian , S. N. Zuo , Y. L. Zhang , L. Liang , Z. Q. Chen , K. Zhao , Z. K. Liu , J. Gou , S. Z. Liu , Adv. Sci. 2021, 8, 8.

[2] Q. S. Dong , C. Zhu , M. Chen , C. Jiang , J. Y. Guo , Y. L. Feng , Z. H. Dai , S. K. Yadavalli , M. Y. Hu , X. Cao , Y. Q. Li , Y. Z. Huang , Z. Liu , Y. T. Shi , L. D. Wang , N. P. Padture , Y. Y. Zhou , Nat. Commun. 2021, 12, 9.

[3] B. G. Krishna , D. S. Ghosh , S. Tiwari , Sol. Energy 2021, 224, 1369.

[4] Y. Dong , W. J. Shen , W. Dong , C. Bai , J. Zhao , Y. C. Zhou , F. Z. Huang , Y. B. Cheng , J. Zhong , Adv. Energy Mater 2022, 12, 12.

[5] J. Park , J. Kim , H.-S. Yun , M. J. Paik , E. Noh , H. J. Mun , M. G. Kim , T. J. Shin , S. I. Seok , Nature 2023, 616, 724.

[6] M. Kim , J. Jeong , H. Z. Lu , T. K. Lee , F. T. Eickemeyer , Y. H. Liu , I. W. Choi , S. J. Choi , Y. Jo , H. B. Kim , S. I. Mo , Y. K. Kim , H. Lee , N. G. An , S. Cho , W. R. Tress , S. M. Zakeeruddin , A. Hagfeldt , J. Y. Kim , M. Gratzel , D. S. Kim , Science 2022, 375, 302.

[7] H. Min , D. Lee , J. Kim , G. Kim , K. S. Lee , J. Kim , M. J. Paik , Y. K. Kim , K. S. Kim , M. G. Kim , T. J. Shin , S. I. Seok , Nature 2021, 598, 444.

[8] S. Y. Park , K. Zhu , Adv. Mater. 2022, 34, 20.

[9] R. Azmi , E. Ugur , A. Seitkhan , F. Aljamaan , A. S. Subbiah , J. Liu , G. T. Harrison , M. I. Nugraha , M. K. Eswaran , M. Babics , Y. Chen , F. Z. Xu , T. G. Allen , A. U. Rehman , C. L. Wang , T. D. Anthopoulos , U. Schwingenschlogl , M. De Bastiani , E. Aydin , S. De Wolf , Science 2022, 376, 73.

[10] S. Wu , Z. Li , M. Q. Li , Y. Diao , F. Lin , T. Liu , J. Zhang , P. Tieu , W. Gao , F. Qi , X. Pan , Z. Xu , Z. Zhu , A. K. Jen , Nat. Nanotechnol. 2020, 15, 934.

[11] S. W. Lee , S. Bae , D. Kim , H. S. Lee , Adv. Mater. 2020, 32, 25.

[12] H. R. Wang , Y. P. Zhao , Z. Y. Wang , Y. F. Liu , Z. P. Zhao , G. W. Xu , T. H. Han , J. W. Lee , C. Chen , D. Q. Bao , Y. Huang , Y. Duan , Y. Yang , Nano Energy 2020, 69, 8.

[13] Y. Jiang , L. B. Qiu , E. J. Juarez-Perez , L. K. Ono , Z. Hu , Z. Liu , Z. Wu , L. Meng , Q. Wang , Y. Qi , Nat. Energy 2019, 4, 585.

[14] H. Zhang , K. Li , M. Sun , F. Wang , H. Wang , A. K. Y. Jen , Adv. Energy Mater. 2021, 11, 11.

[15] X. Li , F. Zhang , H. He , J. J. Berry , K. Zhu , T. Xu , Nature 2020, 578, 555.

[16] S. S. Chen , Y. H. Deng , X. Xiao , S. Xu , P. N. Rudd , J. S. Huang , Nat. Sustain. 2021, 4, 636.

[17] B. Niu , H. Wu , J. Yin , B. Wang , G. Wu , X. Kong , B. Yan , J. Yao , C.-Z. Li , H. Chen , ACS Energy Letters. 2021, 6, 3443.

[18] H. R. Liu , Z. H. Zhang , W. W. Zuo , R. Roy , M. Li , M. M. Byranvand , M. Saliba , Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2202209.

[19] T. J. Macdonald , L. Lanzetta , X. Liang , D. Ding , S. A. Haque , Adv. Mater. 2022, 2206684.

[20] X. Y. Meng , Y. B. Wang , J. B. Lin , X. Liu , X. He , J. Barbaud , T. H. Wu , T. Noda , X. D. Yang , L. Y. Han , Joule. 2020, 4, 902.

[21] B. B. Yu , Z. H. Chen , Y. D. Zhu , Y. Y. Wang , B. Han , G. C. Chen , X. S. Zhang , Z. Du , Z. B. He , Adv. Mater. 2021, 33, 10.

[22] J. Wang , R. Zhang , H. Xu , Y. Chen , H. Zhang , N.-G. Park , ACS Energy Lett. 2022, 7, 1577.

[23] Z. Li , X. Wu , B. Li , S. Zhang , D. Gao , Y. Liu , X. Li , N. Zhang , X. Hu , C. Zhi , A. K. Y. Jen , Z. Zhu , Adv. Energy Mater. 2021, 12, 12.

[24] E. Horvath , M. Kollar , P. Andricevic , L. Rossi , X. Mettan , L. Forro , ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 33995.

[25] Q. Cao , T. Wang , J. B. Yang , Y. X. Zhang , Y. K. Li , X. Y. Pu , J. S. Zhao , H. Chen , X. Q. Li , I. Tojiboyev , J. Z. Chen , L. Etgar , X. H. Li , Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 32.

[26] X. Xiao , M. X. Wang , S. S. Chen , Y. H. Zhang , H. Y. Gu , Y. A. Deng , G. Yang , C. B. Fei , B. Chen , Y. Z. Lin , M. D. Dickey , J. S. Huang , Sci. Adv. 2021, 7, 9.

[27] Z. Y. Fu , M. Xu , Y. S. Sheng , Z. B. Yan , J. Meng , C. H. Tong , D. Li , Z. N. Wan , Y. Ming , A. Y. Mei , Y. Hu , Y. G. Rong , H. W. Han , Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 7.

[28] S. Ma , Y. Bai , H. Wang , H. C. Zai , J. F. Wu , L. Li , S. S. Xiang , N. Liu , L. Liu , C. Zhu , G. L. Liu , X. X. Niu , H. N. Chen , H. P. Zhou , Y. J. Li , Q. Chen , Adv. Energy Mater. 2020, 10, 8.

[29] S. Ma , G. Z. Yuan , Y. Zhang , N. Yang , Y. J. Li , Q. Chen , Energ. Environ. Sci. 2022, 15, 13.

[30] Z. Li , X. Wu , S. Wu , D. Gao , H. Dong , F. Huang , X. Hu , A. K. Y. Jen , Z. Zhu , Nano Energy 2022, 93, 93.

[31] J. L. Li , R. Xia , W. J. Qi , X. Zhou , J. Cheng , Y. F. Chen , G. F. Hou , Y. Ding , Y. L. Li , Y. Zhao , X. D. Zhang , J. Power Sources 2021, 485, 15.

[32] R. K. Raman , S. A. G. Thangavelu , S. Venkataraj , A. Krishnamoorthy , Renew. Sustain. Energy Rev. 2021, 151, 27.

[33] S. Wendels , L. Averous , Bioact. Mater. 2021, 6, 1083.

[34] Y. B. Ma , Y. Jiang , H. Y. Tan , Y. H. Zhang , J. Y. Gu , Polymers 2017, 9, 13.

[35] X. Shi , Y. Wang , X. H. Deng , W. B. Wu , W. T. Hua , Z. Q. Zhou , K. Xin , L. H. Tang , Z. Y. Ning , Chemosphere 2022, 309, 13.

[36] Y. Y. Huang , H. L. Zheng , X. B. Hu , Y. Y. Wu , X. H. Tang , Q. He , S. Y. Peng , J. Hazard. Mater. 2022, 422, 15.

[37] S. Chen , Y. Deng , H. Gu , S. Xu , S. Wang , Z. Yu , V. Blum , J. Huang , Nat. Energy 2020, 5, 1003.

[38] T. Kavc , W. Kern , M. F. Ebel , R. Svagera , P. Polt , Chem. Mater. 2000, 12, 1053.

[39] L. Adams , A. Oki , T. Grady , H. McWhinney , Z. P. Luo , E Low Dimens. Syst. Nanostruct. 2009, 41, 723.

[40] W. J. Wu , X. R. Zeng , H. Q. Li , X. J. Lai , F. Li , J. H. Guo , J. Macromol. Sci. Part B Phys. 2014, 53, 1244.

[41] S. H. Kang , Y. K. Yang , N. S. Kwak , Y. U. Kang , T. S. Hwang , Polymer 2005, 29, 59.

[42] R. S. Murthy , S. Muthukrishnan , S. Rajam , S. M. Mandel , B. S. Ault , A. D. Gudmundsdottir , J. Photochem. Photobiol. A Chem. 2009, 201, 157.

[43] H. Guo , Y. Han , W. Zhao , J. Yang , L. Zhang , Nat. Commun. 2020, 11, 11.

[44] S.-M. Kim , H. Jeon , S.-H. Shin , S.-A. Park , J. Jegal , S. Y. Hwang , D. X. Oh , J. Park , Adv. Mater. 2018, 30, 30.

[45] J. Rong , J. Zhong , W. Yan , M. Liu , Y. Zhang , Y. Qiao , C. Fu , F. Gao , L. Shen , H. He , Polymer 2021, 221, 221.

[46] W. Mai , Q. Yu , C. Han , F. Kang , B. Li , Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 30.

[47] R. A. Li , T. Fan , G. Chen , H. Xie , B. Su , M. He , Chem. Eng. J. 2020, 393, 124685.

[48] K. Chang , H. Jia , S.-Y. Gu , Eur. Polym. J. 2019, 112, 822.

[49] X. Li , R. Yu , Y. He , Y. Zhang , X. Yang , X. Zhao , W. Huang , ACS Macro Lett. 2019, 8, 1511.

[50] S. Ji , W. Cao , Y. Yu , H. Xu , Adv. Mater. 2015, 27, 7740.

[51] S. F. Li , J. Zhi , K. J. Yuan , S. Q. Yu , W. K. Chow , Polym.-Plast. Technol. Eng. 2006, 45, 95.

[52] K. V. Baryshnikova , A. S. Kadochkin , A. S. Shalin , Opt. Spectrosc. 2015, 119, 343.

[53] L. A. He , G. L. Gong , H. S. Freeman , W. Jian , M. F. Chen , D. F. Zhao , Color. Technol. 2011, 127, 47.

[54] L. Du , Z. Z. Liu , Z. X. Ye , X. L. Hao , R. X. Ou , T. Liu , Q. W. Wang , Eur. Polym. J. 2023, 182, 10.

[55] C. L. Cao , J. Cheng , X. Di Liu , R. Wang , J. Y. Zhang , J. Qu , U. Jaeger , J. Adhes. Sci. Technol. 2012, 26, 1395.

[56] M. Yumoto , S. Yamashita , T. Yokoyama , M. Zenki , Bunseki Kagaku. 2008, 57, 673.

[57] M. Bonomo , B. Taheri , L. Bonandini , S. Castro-Hermosa , T. M. Brown , M. Zanetti , A. Menozzi , C. Barolo , F. Brunetti , ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 54862.

[58] M. Wong-Stringer , O. S. Game , J. A. Smith , T. J. Routledge , B. A. Alqurashy , B. G. Freestone , A. J. Parnell , N. Vaenas , V. Kumar , M. O. A. Alawad , A. Iraqi , C. Rodenburg , D. G. Lidzey , Adv. Energy Mater. 2018, 8, 11.

[59] P. Tan , H. F. Wang , F. R. Xiao , X. Lu , W. H. Shang , X. B. Deng , H. F. Song , Z. Y. Xu , J. F. Cao , T. S. Gan , B. Wang , X. C. Zhou , Nat. Commun. 2022, 13, 12.

RIGHTS & PERMISSIONS

2023 The Authors. Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.