离子液体掺杂剂，提高钙钛矿太阳能电池效率和稳定性

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有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的发展速度异常惊人，短短数年间能量转换效率飞速提高，最高认证效率已经涨到了22.1%（点击阅读详细）。尽管效率上已经接近了目前商业化的硅基太阳能电池，但钙钛矿太阳能电池较差的稳定性是制约其推广应用的另一个因素。现在，科学家提高钙钛矿太阳能电池性能和稳定性主要手段是优化钙钛矿薄膜以及离子的成分控制，他们开发了不同的技巧制备均一、平整的钙钛矿薄膜。其中一种方法就是使用离子液体作为溶剂或者掺杂剂，之前有报道称掺入离子液体可以控制钙钛矿的结晶速度，从来形成更大质量更好的晶体，从而提高电池的效率。还有文献报道了离子液体作为添加剂改善甲胺铅碘（MAPbI₃）钙钛矿薄膜的质量。然而，离子液体添加剂与钙钛矿前驱体的相互作用一直没有研究。

图1. 不同种类的离子液体。图片来源：Adv. Mater.

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的Mohammad Khaja Nazeeruddin教授、Paul J. Dyson教授、Zhaofu Fei博士等人研究了离子液体对于钙钛矿结构形成过程的影响，并提出了一种使用官能化离子液体掺杂剂制备高效率、高稳定性钙钛矿太阳能电池的策略。相关论文发表于Advanced Materials，第一研究者为Yi Zhang。

“烟熏（fumigation）”是形成高度均一钙钛矿结构的一种新技术，吸引了非常多的关注。在用气态甲胺“烟熏”过程中，已经形成的钙钛矿黑色薄膜在甲胺中暴露很短一段时间，黑色薄膜会变成透明的“融化”态，除去没有反应的气体和甲胺残留物，黑色薄膜会重新形成，同时变得平滑且无孔。研究者们通过这种方法来研究添加剂与钙钛矿前驱体的相互作用对器件性能影响，能使添加剂导致的薄膜质量变化对器件性能的影响最小化。研究者研究了用作掺杂剂的三种官能化离子液体，分别带有-CH₂-CH=CH₂（CC2）、-CH₂-C≡CH（CC3）、-CH₂-C≡N（CN）基团，分别加入前驱体PbI₂ : MAI的DMSO溶液。加入离子液体后，立即生成黄色溶液，随后旋涂溶液于玻璃基板，100 ℃加热形成黑色薄膜，随后用甲胺气体烟熏。

图2. 本文使用的离子液体的化学式。图片来源：Adv. Mater.

不同离子液体以及烟熏步骤对钙钛矿光学特性及薄膜质量的影响，可以利用紫外吸收光谱、连续波荧光谱及时间分辨荧光分析进行分析。尽管由于不同离子液体掺杂剂导致钙钛矿层结构改变，薄膜的紫外吸收光谱相对于参照材料并没有发生改变（图3a）。将时间分辨荧光光谱进行拟合，发现加入离子液体掺杂的钙钛矿薄膜的寿命明显变长（图3b）。

图3. 不同离子液体掺杂以及未掺杂的钙钛矿薄膜的波谱分析，a）紫外-可见光吸收（左），500 nm激发连续波荧光谱（右）；b）780 nm激发的时间分辨荧光谱衰减。图片来源：Adv. Mater.

表一. 不同薄膜的荧光寿命。图片来源：Adv. Mater.

扫描电镜对不同离子液体掺杂的钙钛矿薄膜分析表明，离子液体掺杂的薄膜会有更好的覆盖以及更高的均一性。对其晶粒尺寸进行分析发现利用CC2掺杂的钙钛矿薄膜晶粒尺寸最小，纳米颗粒的尺寸在100-120 nm（图4）。

图4. 不同离子液体掺杂的钙钛矿薄膜的扫描电镜图（上图）；通过SEM分析得到的晶粒尺寸。图片来源：Adv. Mater.

不同离子液体掺杂的钙钛矿薄膜被制成了太阳能电池器件，其中CC2掺杂器件的效率最高，达到19.2% ± 0.1%，其短路电流明显比其他离子液体掺杂以及没有掺杂的参比器件高很多（图5）。这或许与其晶粒尺寸变小有关。

图5. 利用不同离子液体掺杂的不同器件的数据分布图。图片来源：Adv. Mater.

随后研究者对CC2掺杂以及没有掺杂的钙钛矿太阳能电池器件的稳定性做了研究。如图6所示，CC2掺杂的钙钛矿太阳能电池的器件稳定性明显提高。

图6. CC2掺杂的钙钛矿太阳能电池的稳定性测试。图片来源：Adv. Mater.

研究者认为离子液体掺杂剂与前驱体溶液中的阴离子PbI₃⁻反应生成盐，可直接影响钙钛矿晶体生长。而三种带有不同官能团的离子液体与前驱体溶液中的阴离子反应生成不同的盐，对晶体生长的影响也不相同。其中，CC2的掺杂可以明显提高钙钛矿太阳能电池的效率，而且还可大幅提高其稳定性。这对于今后设计高效稳定的钙钛矿器件具有重要启示作用。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

A Strategy to Produce High Efficiency, High Stability Perovskite Solar Cells Using Functionalized Ionic Liquid-Dopants

Adv. Mater., 2017, 29, 1702157, DOI: 10.1002/adma.201702157

导师介绍

Mohammad Khaja Nazeeruddin

http://www.x-mol.com/university/faculty/2752

Paul J. Dyson

http://www.x-mol.com/university/faculty/2730

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