01 导引

离子液体(ILs)在钙钛矿太阳能电池(PSCs)领域受到了极大的关注，因为它们在影响钙钛矿的结晶动力学、优化形貌和有效钝化缺陷等多个方面，从而决定钙钛矿的效率和稳定性。过往的研究主要集中在单个离子液体或不同的阴离子及其在PSC中的应用，但离子液体中阳离子和阴离子的独特分布强调了优化阳离子结构的重要性，并阐明了离子液体中阳离子对器件性能的特殊作用。

02 工作内容

这项研究中，胡汉林研究团队引入了两种离子液体1-羧甲基-3-甲基咪唑氯化物（C-EMIMCl）和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物（EMIMCl），每种都具有不同的阳离子，作为添加剂加入钙钛矿前驱体溶液中，探索阳离子对最终设备性能的影响。值得注意的是，对两种离子液体中羧基功能化的咪唑阳离子与常规咪唑基对应物如何影响它们与钙钛矿组分的相互作用团队进行了全面研究，涵盖了钙钛矿薄膜形成、薄膜形貌、缺陷钝化和设备性能的各个方面。

研究过程中为了评估离子液体EMIMCl和C-EMIMCl对钙钛矿晶体结构的影响，在SAXSFocus3.0系统上（安徽国科，GKINST Co.,LTD.），掠入射角为0.5°的情况下对对照钙钛矿以及用EMIMCl和C-EMIMCl处理的钙钛矿样品进行了掠入射宽角X射线散射（GIWAXS）测量。如图1j-i所示。在对照以及EMIMCl和C-EMIMCl处理的钙钛矿薄膜中都出现了两个散射峰，分别在q = 0.9和1.0 Å^-1处，归因于PbI₂的(110)面和3D钙钛矿晶体的(110)面。

图1m展示了基于2D GIWAXS数据的样品径向积分结果。对照样品显示出强烈的PbI₂信号，这对应于两步制造过程中的残余PbI₂。相比之下，C-EMIMCl处理样品中PbI₂的信号显著减弱，表明离子液体C-EMIMCl的添加促进了PbI₂向钙钛矿相的转化。这一现象在X射线衍射（XRD）结果（图1n）中也得到了进一步确认。GIWAXS结果还揭示了C-EMIMCl改性钙钛矿薄膜在Z轴方向上更明显的取向，证实了离子液体的添加促进了钙钛矿(001)晶面的取向。

Figure 1. SEM images of (a) control, (b) EMIMCl and (c) C-EMIMCl-treated perovskite films. (d-f) The size distribution of perovskite grains in the respective films according to the SEM images results. Time-resolved in situ UV–vis absorption spectra of (g) control, (h) EMIMCl and (i) IL C-EMIMCl-treated perovskite film in annealing process. (j-l) The 2D GIWAXS spectrogram of control, EMIMCl and C-EMIMCl-treated perovskite films. (m) Integration of control, EMIMCl and C-EMIMCl-treated perovskite 2D GIWAXS spectrogram. (n) X-ray diffraction patterns acquired for control, EMIMCl and C-EMIMCl-treated perovskite films.

03 总结

在本项研究中，团队将两种离子液体（ILs）添加剂C-EMIMCl和EMIMCl，每种都具有不同的阳离子结构，引入到钙钛矿前驱体中，以优化设备性能。通过本次实验，我们也系统地探索了这些添加剂对钙钛矿设备性能各个方面的影响，包括化学相互作用、钙钛矿结晶过程、薄膜形貌、缺陷钝化和光电性能。

通过了多角度GIWAXS技术对钙钛矿晶体进行了不同深度的探测，这种深度分辨的能力使得GIWAXS成为了一种强有力的薄膜表征技术，它不仅能够帮助我们更深入地理解钙钛矿晶体的特性，还能够揭示其内部的微观机制。利用这种方法，我们能够精确评估不同离子液体钝化剂对钙钛矿薄膜结晶质量和残留PbI₂分布的影响，进而优化钙钛矿太阳能电池的性能。

[1] Wang F, Duan D, Sun Y, et al. Uncovering chemical structure-dependency of ionic liquids as additives for efficient and durable perovskite photovoltaics[J]. Nano Energy, 2024, 125: 109549..

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109549  

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