通过离子液体界面工程技术推动基于PTAA的钙钛矿光伏技术的发展

《Journal of Energy Chemistry》：Advancing PTAA-based perovskite photovoltaics through ionic liquid interfacial engineering

采用离子液体1,3-二甲基咪唑二甲基磷酸（DMIMPH）作为多功能界面修饰剂，有效改善PTAA的表面润湿性、界面接触及能级对齐问题，使PTAA基 inverted PSCs 效率达24.52%（认证值），最佳器件效率25.12%，并显著提升结晶性和稳定性，1600小时后效率保持87.48%。

　　在太阳能电池领域，钙钛矿材料因其卓越的光电性能而备受关注。钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借其高吸收系数、可调带隙、低激子结合能、长载流子扩散长度以及简便的制造工艺，成为新一代光伏技术的重要研究方向。然而，尽管钙钛矿材料本身具有良好的稳定性，但在实际应用中，其与空穴传输层（HTL）之间的界面问题仍然是影响电池性能和寿命的关键因素。尤其是基于聚三芳胺（PTAA）的倒置结构PSCs，虽然在光吸收、透明度和稳定性方面表现出色，但在效率和长期稳定性方面仍面临诸多挑战。

PTAA作为一种常用的空穴传输材料，因其易于加工、高光学透明度和相对较高的空穴迁移率，被广泛应用于倒置结构PSCs中。然而，PTAA材料的疏水性和较差的润湿性限制了其对钙钛矿薄膜的均匀覆盖，导致界面处出现大量空隙和缺陷。这些缺陷不仅会降低钙钛矿薄膜的结晶质量，还可能成为载流子复合的场所，从而影响电池的整体性能。此外，PTAA与钙钛矿层之间的能级不匹配也会导致空穴提取效率低下，进一步制约了PSCs的效率提升。

为了克服这些挑战，研究人员尝试了多种策略，如氧等离子体处理、紫外臭氧（UVO）处理、极性溶剂预清洗和后处理等。这些方法在一定程度上改善了PTAA的润湿性和界面相容性，但同时也可能对PTAA的化学结构造成损伤，进而影响其工作函数、光学透过率和电学性能。因此，寻找一种既能改善界面性能，又不会破坏PTAA原有特性的新型界面修饰材料成为研究的重点。

在这一背景下，离子液体（ILs）因其独特的物理化学性质，如低挥发性、高导电性、优异的热稳定性和良好的光学透过率，被广泛认为是理想的界面修饰材料。ILs可以通过偶极相互作用调节界面能级，通过分子间作用力减少界面缺陷，并通过温和的低温处理影响钙钛矿的结晶动力学。近年来，研究者们在钙钛矿界面引入ILs，以实现缺陷钝化、能带对齐和薄膜质量的提升，取得了显著进展。

在本研究中，我们引入了一种多功能离子液体——1,3-二甲基咪唑二甲基磷酸盐（DMIMPH），作为倒置结构PSCs中PTAA/钙钛矿界面的修饰材料。DMIMPH不仅能够改善PTAA的润湿性，还能通过调节能级、增强空穴提取效率以及优化钙钛矿结晶动力学，全面提升PSCs的性能。这一策略有效解决了PTAA基器件长期存在的润湿性差、界面接触不良、界面缺陷多以及能级不匹配等问题。

DMIMPH的引入显著提高了PTAA表面的润湿性，从而促进了钙钛矿薄膜的均匀覆盖，减少了界面空隙和缺陷的形成。这种改善不仅提升了钙钛矿薄膜的结晶质量，还增强了其在界面处的稳定性，减少了载流子复合的可能性。此外，DMIMPH还能通过调节PTAA的能级，使其与钙钛矿层之间实现更优的能带对齐，从而提高空穴的提取效率和电荷传输能力。

在钙钛矿结晶动力学方面，DMIMPH与残留的PbI?发生相互作用，调控了钙钛矿的结晶过程。这种调控使得钙钛矿薄膜具有更大的晶粒尺寸、更低的PbI?残留以及更少的陷阱密度，进一步提升了电池的光电性能。通过这种界面工程策略，PTAA基倒置结构PSCs的效率得到了显著提升，从23.41%提高到了25.12%（认证效率为24.52%），创下了PTAA基钙钛矿器件的最高效率记录。

更为重要的是，DMIMPH修饰的PSCs在无封装的情况下，经过1600小时的空气存储后，仍能保持87.48%的初始效率，显示出良好的长期稳定性。这一结果表明，DMIMPH不仅在提升效率方面表现出色，还在增强器件稳定性方面具有显著优势。该策略为PTAA基倒置结构PSCs的性能优化和稳定性提升提供了一条有效途径，有望推动钙钛矿太阳能电池在实际应用中的进一步发展。

钙钛矿太阳能电池的稳定性一直是其商业化过程中面临的主要挑战之一。由于钙钛矿材料对水分、氧气和热的敏感性，其在实际使用中容易发生降解，导致效率下降。此外，界面处的缺陷和不均匀性也可能成为影响稳定性的关键因素。因此，提升钙钛矿太阳能电池的长期稳定性对于其未来的发展至关重要。

在本研究中，DMIMPH的引入不仅改善了钙钛矿薄膜的结晶质量和界面特性，还有效减少了界面处的缺陷密度。这种改善有助于提高电池的耐久性，减少因界面缺陷导致的载流子复合和效率损失。同时，DMIMPH的低挥发性和良好的热稳定性使其在长期运行过程中不易发生分解，从而保障了电池性能的稳定性。

通过使用DMIMPH作为界面修饰材料，我们成功构建了一种具有高效率和良好稳定性的PTAA基倒置结构PSCs。这一成果不仅为钙钛矿太阳能电池的性能优化提供了新的思路，也为其实现商业化应用奠定了基础。此外，该策略还可以与其他界面修饰技术相结合，进一步探索钙钛矿太阳能电池在不同环境下的稳定性和性能表现。

在实际应用中，钙钛矿太阳能电池需要在多种条件下保持稳定的性能，包括高温、高湿和光照等。因此，研究如何在这些条件下维持电池的高效运行和长期稳定性具有重要意义。DMIMPH的引入为这一目标提供了可能的解决方案，其优异的润湿性、能级调节能力和结晶动力学调控作用，使其成为一种理想的界面修饰材料。

综上所述，本研究通过引入DMIMPH作为多功能界面修饰材料，有效解决了PTAA基倒置结构PSCs在润湿性、界面接触、缺陷密度和能级匹配方面的关键问题。DMIMPH的使用不仅显著提升了电池的光电转换效率，还大幅增强了其长期稳定性。这一策略为钙钛矿太阳能电池的进一步发展提供了新的思路和方法，同时也为实现高性能、高稳定性的钙钛矿器件提供了有力的技术支持。未来，随着对DMIMPH及其他离子液体在钙钛矿界面应用的深入研究，有望开发出更多高效、稳定的钙钛矿太阳能电池，推动其在可再生能源领域的广泛应用。