【研究背景】 双(三氟甲磺酰亚胺)锂(Li-TFSI)添加剂被广泛用于改善钙钛矿太阳能电池(PSCs)空穴传输层(HTL)的空穴迁移率。因为在氧气存在条件下，添加剂Li-TFSI的加入可以促使Spiro-OMeTAD氧化为Spiro-OMeTAD+，从而有效地提高空穴传输材料的空穴迁移率，最终获得高性能的器件。然而，Li-TFSI具有吸湿性，易于吸收空气中的水分子，并在空穴传输材料薄膜中聚集形成针孔，最终导致钙钛矿太阳能电池稳定性下降。因此，开发新型的耐水性锂盐添加剂来替代Li-TFSI，以提高PSCs的稳定性，同时深入研究锂盐中不同含量的氟基团对HTL的物理性能以及PSCs的光伏性能的影响具有重要的意义。 【工作介绍】近日，云南大学华雍课题组探索了三种结构相似、但含有不同氟的锂盐(Li-FSI、Li-TFSI和Li-PFSI)作为Spiro-OMeTAD的添加剂，首次系统地研究了锂盐中氟基团的数量(Li-TFSI为2F，Li-TFSI为6F，Li-PFSI为10F)对Spiro-OMeTAD物理性质的影响。研究发现，在锂盐中引入更多的氟，可以改善Spiro-OMeTAD的空穴提取/转移能力，获得更好的HTM表面形貌，降低钙钛矿材料的陷阱缺陷和器件电荷复合，基于Li-PFSI的太阳能电池的光电性能优于基于Li-FSI和Li-TFSI电池。此外，将氟取代个数从6个增加到10个，能够使Spiro-OMeTAD膜的疏水性明显增强，这有利于提高PSCs的长期稳定性。该成果以“Understanding the Effects of Fluorine Substitution in Lithium Salt on Photovoltaic Properties and Stability of Perovskite Solar Cells”为题发表于能源类重要期刊ACS Energy letters上，课题组硕士研究生吴太为本文第一作者，华雍副研究员为本文的通讯作者。 【内容表述】1. 研究材料图 1. Spiro-OMeTAD、Li-FSI、Li-TFSI和Li-PFSI的化学结构。 2. 光电性能图 2 (a-c)基于Li-FSI、Li-TFSI和Li-PFSI作为HTM添加剂电池器件的J-V曲线。(d)器件效率统计图；(e) 相应光伏器件的IPCE光谱；(f)电池稳态PCE。 器件在AM 1.5G模拟太阳光照射下，三种锂盐在钙钛矿太阳能电池中表现出显著的差异（图2a−c），基于Li-FSI、Li-TFSI和Li-PFSI的PSCs的PCE分别为19.64%，20.25%和22.14%。所有器件更有良好的重复性（图2d）。如图2f所示，在最大输出功率点处，测试200 s后，相应器件的稳定输出PCE分别为18.14%、19.87%和21.65%。从以上数据可以看出Li-PFSI是一种更有效的HTM添加剂可获得更加优异的光伏性能。 3. 薄膜中载流子传输动力学图 3 钙钛矿/Spiro-OMeTAD薄膜的瞬态吸收谱：(a)Li-FSI，(b)Li-TFSI和(c)Li-PFSI。钙钛矿/Spiro-OMeTAD薄膜的2D彩色曲线图:(d)Li-FSI，(e)Li-TFSI和(f)Li-PFSI。 通过纳秒瞬态吸收光谱(TA)研究了不同添加剂(Li-FSI、Li-TFSI和Li-PFSI)对钙钛矿/HTM双层膜中载流子传输动力学的影响。图4a−c显示了钙钛矿型/Spiro-OMeTAD薄膜TA的光谱。可以清楚观察到所有样品都有两个显著的光谱特征：500−600 nm的正光诱导吸收峰(PA)和780 nm附近的强负光漂白(PB)峰，其对应的峰可以从TA谱的2D彩色曲线图中清晰地观察到(图4d−f)。同时以Li-PFSI为添加剂的钙钛矿/Spiro-OMeTAD薄膜在780 nm处的PB峰明显弱于基于Li-FSI和Li-TFSI薄膜，表明钙钛矿/Spiro-OMeTAD薄膜中的载流子可以更有效且超快地转移到基于Li-PFSI的薄膜中。进一步研究了780 nm处PB峰的相应动力学衰减轨迹，可以发现：Li-PFSI薄膜中的光激发载流子传输速度比基于Li-FSI和Li-TFSI薄膜快，从而有效地降低了载流子非辐射复合。 4. 器件稳定性研究图 4 （a）)基于Li-FSI、Li-TFSI和Li-PFSI的PSCs在RH≈40%和最大功率点跟踪下的稳定性测试。(b)器件在RH≈70%下的稳定性测试。(c)器件在85℃下的热稳定性测试。(d)大面积器件（1cm2）在RH≈40%下的稳定性测试。 为了研究不同锂盐添加剂对PSCs的稳定性影响，器件在空气相对湿度为40%中600个小时和连续光照400个小时进行老化试验。如图4a所示，基于Li-PFSI的未封装PSCs器件表现出良好的稳定性，效率能够保持在原来的82%左右，而添加Li-TFSI和Li-FSI的器件的PCE分别下降到约67%和46%。另外，在湿度为70%和温度为85℃下，基于Li-PFSI的器件展现较好的高湿度和热稳定性，稳定性都优于基于Li-FSI和Li-TFSI的器件。同时，研究发现，基于Li-PFSI的1cm2大面积器件也展现良好的电池稳定性。因此，可以得出结论， Li-PFSI作为HTL添加剂能有效地提高电池器件的稳定性。 【结论】本工作系统地研究锂盐中不同含量的氟基团对HTL的物理性能以及PSCs的光伏性能的影响，发现了一种性能更加优异的锂盐添加剂Li-PFSI，可以显著提高钙钛矿电池的效率与稳定性，该工作能为进一步提高钙钛矿器件的性能提供了新思路。 Tai Wu, Rongshan Zhuang, Rongjun Zhao, Rongmei Zhao, Lizhong Zhu, Gaoyuan Liu, Runtao Wang, Kanghong Zhao, and Yong Hua, Understanding the Effects of Fluorine Substitution in Lithium Salt on Photovoltaic Properties and Stability of Perovskite Solar Cells. ACS Energy Letters, 2021, 6, 2218-2228.https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.1c00685