01 导引

在钙钛矿太阳能电池（PSCs）领域的不断突破中，电子传输层（ETL）材料的更新和电子传输层/钙钛矿界面的改性起着至关重要的作用。ETL材料的选择以及ETL和钙钛矿层之间的精确相互作用将对结晶过程、钙钛矿的整体薄膜质量以及界面电荷的提取产生直接影响。

在这项工作中，研究团队采用含磷酸(PO4^3-)基团的1-甲基-3-丙基咪唑磷酸盐(MPIMPH)作为修饰SnO₂/钙钛矿界面的试剂。

02 工作内容

团队广泛研究了IL MPIMPH对二氧化锡缺陷、钙钛矿缺陷、钙钛矿结晶、形态和整体器件性能的具体影响。初始密度泛函理论(DFT)计算综合比较了各种阴离子对二氧化锡中锡空位的缺陷钝化能力，揭示了在众多常见阴离子中，PO4^3-基团表现出最高的缺陷钝化能力。

通过红外光谱(FTIR)、核磁共振(NMR)和X射线光电子能谱(XPS)验证了IL MPIMPH与SnO₂和钙钛矿之间的强化学相互作用，形成了钝化界面缺陷的基础。

Fig. 1. (a) Schematic representation of the chemical interactions between ILs with SnO₂ and perovskite. XPS spectrum of (b) Sn 3d and (c) O 1s core levels of the control and IL-modified SnO₂ film. (d) The statistical ratio of oxygen vacancies (Ov) is derived from the calculation of the O 1s XPS spectrum. (e and f) FTIR spectrum of MPIMPH and MPIMPH + SnO₂ samples. (g) ¹H NMR spectrum of MPIMPH and MPIMPH + PbI₂ samples.

Fig. 2. (a) Optimized structures from the DFT calculations of Br⁻ , Cl⁻ , I⁻ , Ac⁻ , BF4⁻  and PO4^3- -modified SnO₂ surface. (b) The statistics of binding energy of SnO₂ with the above anions. (c) The statistics of Sn vacancy formation energy of the above anions-modified SnO₂ films.

此外，界面的MPIMPH IL改性增强了界面接触，从而影响碘化铅向钙钛矿的转化程度和钙钛矿的结晶。这导致了高质量钙钛矿薄膜的产生，其特征在于大量和一致的晶粒尺寸，由掠入射广角散射测量—GIWAXS（SAXSFocus 3.0 ，GKINST Co.,LTD.）、原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)的数据证实。

Fig. 3. AFM images of (a) control SnO₂ film and (b) MPIMPH-modified SnO₂ film. SEM images of (c) control perovskite film and (d) MPIMPH-modified perovskite film. (e and f) Corresponding statistics of particle size accroding to the SEM results.

Fig. 4. (a) XRD data of perovskite films deposited on control and IL MPIMPH-modified SnO₂ film. (b and c) The 2D GIWAXS datas of perovskite films deposited on the control and IL MPIMPH-modified SnO₂ films. (d) The integrated datas from 2D GIWAXS patterns. (e) The UV–vis spectra of perovskite films deposited on control and IL MPIMPH-modified SnO₂ film. (f) PL and (g) TRPL datas of the perovskite films  eposited on control and IL MPIMPH-modified SnO₂ film substrates. (h) PL and (i) TRPL datas of the perovskite films deposited on control and IL MPIMPH-modified glass substrates.

03 总结

受益于与ILs的接口修改，优化的器件实现了令人印象深刻的24.24 %的器件效率和显著的耐久性。这项工作为设计离子液体以增强界面修饰提供了一个新的方面，有助于钙钛矿光伏的规模化和应用。

实验过程中，研究团队利用GIWAXS技术对钙钛矿晶体进行了不同的探测，这种深度分辨的能力使得GIWAXS成为了一种强有力的工具，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。通过这种方法，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] Yang G, Wang F, Zhou C, et al. Phosphate-based ionic liquids for advanced interface modification in perovskite photovoltaics: Novel insights for ionic liquid molecule design[J]. Chemical Engineering Journal, 2024: 152559.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152559

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