哈工大杨玉林教授和张健博士团队《Chem. Eng. J.》：金属有机框架材料封装Li-TFSI大幅提升钙钛矿电池稳定性

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固体空穴传输材料Spiro-OMeTAD的引入，钙钛矿太阳能电池(PSCs)的效率和稳定性都取得了突破性进展，该领域的研究在近年来受到广泛关注。然而Spiro-OMeTAD受限于有机分子的非极性和无定形态，因此其本征电导率较低，需要添加剂和长时间氧化过程。为了提高空穴传输层(HTL)的空穴迁移率和电导率，双三氟甲烷磺酰亚胺锂(Li-TFSI)作为Spiro-OMeTAD的常规p型掺杂剂发挥重要的作用。但是Li-TFSI易吸水潮解，会加速钙钛矿薄膜的降解，从而导致钙钛矿太阳能电池(PSCs)的长期稳定性下降。

近期哈尔滨工业大学化工与化学学院杨玉林教授和青年教师张健研究团队针对这一问题，将Li-TFSI内嵌于金属有机框架材料的骨架中，构筑了一种新型掺杂剂Li-TFSI@NH₂-MIL-101抵抗水分子的侵入。在锂盐相对加入量显著减少的情况下，基于Li-TFSI@NH₂-MIL-101的PSCs最佳功率转换效率(PCE)为19.01%，与参比器件(19.23%)相当。此外，-NH₂与钙钛矿中未配位的Pb²⁺离子之间的相互作用会钝化钙钛矿/空穴传输层界面的缺陷态，抑制离子迁移。因此，器件的稳定性显著提高。该工作证明这种新型掺杂剂的引入可以使参比器件的稳定性提升约10倍(比较效率降低到到90%初始PCE的相对时间)。该研究中，Li-TFSI@NH₂-MIL-101掺杂PSCs在室温和40%相对湿度的环境下存储3600小时后，器件效率仍超过初始PCE的85%

相关工作以“Li-TFSI Endohedral Metal-Organic Frameworks in Stable Perovskite Solar Cells for Anti-Deliquescent and Restricting Ion Migration”为题发表于Chemical Engineering Journal (DOI:10.1016/j.cej.2021.132481)。青年教师张健和博士研究生王嘉奇在实验设计和结果分析方面做出重大贡献，上述研究得到了国家自然科学基金（22001050, 22072034, 21873025），中国博士后基金（2020T130147, 2020M681084），黑龙江省博士后基金（LBH-Z19059）和黑龙江省青年自然科学基金(Grant No.YQ2021B002)等项目的支持。

图文解读

图1. Li-TFSI@NH₂-MIL-101合成示意图以及形貌表征。(a) Li-TFSI@NH₂-MIL-101合成过程示意图；TEM图片：(b) NH₂-MIL-101；(c) Li-TFSI@NH₂-MIL-101；(d) EDX元素分布证明Li-TFSI在NH₂-MIL-101中均匀分布。

图2. Li-TFSI@NH₂-MIL-101的结构分析。NH₂-MIL-101和Li-TFSI@NH₂-MIL-101的(a) XPS谱图；(b) PXRD谱图；(c) FTIR谱图；(d)氮气吸附-脱附等温线。

图3. HTL薄膜的形貌和表面电位。Li-TFSI掺杂HTL和Li-TFSI@NH₂-MIL-101掺杂HTL的：(a)和(b) 扫描电子显微镜(SEM)图(内插图为水接触角); (c)和(d) AFM图; (e)和(f) KPFM测试。

图4. PSCs的器件结构和性能。(a) 器件横截面SEM图像；(b) 能级图；(c) 基于参比Li-TFSI (9.1 mg mL^-1)和Li-TFSI@NH₂-MIL-101掺杂器件的电流密度-电压(J-V)曲线；(d) IPCE光谱以及相应的积分Jsc；(e) 参比Li-TFSI器件和基于Li-TFSI@NH₂-MIL-101器件的稳态输出PCE；(f) 缺陷态测试结果。

图5. 钙钛矿/HTM界面的电荷复合行为。(a) Li-TFSI@NH₂-MIL-101与PbI₂的FTIR谱图；(b) Pb4f的XPS谱图；(c) 钙钛矿膜和不同HTL包覆的钙钛矿膜的稳态PL和(d) TRPL光谱；(e) 传统Li-TFSI器件和Li-TFSI@NH₂-MIL-101器件的EIS拟合曲线；(f) 暗态J-V曲线。

图6. 薄膜和器件的稳定性测试。(a) 高湿条件下不同降解时间的钙钛矿/HTM薄膜照片；(b) 钙钛矿/HTM薄膜降解前后的紫外-可见吸收光谱；(c)和(d) 降解12小时前后钙钛矿/HTM的XRD谱图；(e) 掺杂和未掺杂PSCs长期稳定性。

论文信息：Jiaqi Wang, Jian Zhang*, Yulin Yang*, Yayu Dong, Wei Wang, Boyuan Hu, Jiao Li, Wei Cao, Kaifeng Lin, Debin Xia and Ruiqing Fan*. Li-TFSI Endohedral Metal-Organic Frameworks in Stable Perovskite Solar Cells for Anti-Deliquescent and Restricting Ion Migration. Chemical Engineering Journal 2022, 429, 132481.

相关链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132481

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