通过基于聚合TFSI离子的聚离子液体添加剂，改善FAPbI（一种钙钛矿）薄膜的电子结构、光学性质和晶体质量

《Optical Materials》：Improvement of electronic structure, optical properties, and crystalline quality of FAPbI 3 perovskite thin films by poly(ionic liquid) additives based on polymerized TFSI ion

本研究通过引入新型聚离子液体[PMTFSI]Li和[PMTFSI][DCMim]作为添加剂，优化了FAPbI3钙钛矿薄膜的结晶质量与稳定性，实验表明PILs能有效钝化缺陷并促进载流子传输，提升太阳能电池效率及环境耐受性。

　　近年来，有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其卓越的光电性能和相对较低的成本，在光伏领域获得了广泛关注。钙钛矿材料的结构和特性使其在光吸收、载流子传输和寿命等方面表现出色。特别是，基于甲脒铅碘（FAPbI?）的钙钛矿材料，因其更窄的带隙和更高的稳定性，被认为是当前最具潜力的钙钛矿组成之一。然而，尽管钙钛矿太阳能电池在效率方面取得了显著进展，其在实际环境中的长期稳定性仍然是限制其大规模应用的关键问题。这一问题主要源于钙钛矿材料本身的结构特性，其具有多元素、多组分的混合结构，同时具有离子性、弱分子相互作用和柔软的晶格结构，使得材料容易受到环境因素如湿度、紫外线和氧气的影响，从而引发不可逆的分解或退化。此外，钙钛矿材料中的缺陷，无论是内在的还是外在的，都会影响载流子的非辐射复合损失，并可能促进在工作设备中因电场影响而发生的离子迁移，从而降低电池的性能和稳定性。

为了解决这些问题，研究人员开发了多种策略来改善钙钛矿材料的质量、寿命和稳定性。其中，添加剂工程被认为是一个极具潜力的方法。通过在钙钛矿溶液中引入特定的添加剂，可以有效改善钙钛矿薄膜的结构、光学和电子性能，从而提升太阳能电池的整体表现。这些添加剂可以是有机分子、金属卤化物、聚合物、离子液体等。其中，离子液体（ILs）因其高离子导电性、低挥发性和优异的热稳定性，被广泛用于改善钙钛矿薄膜的性能。然而，离子液体在实际应用中也存在一些局限性，如其较高的粘度和较差的薄膜均匀性。因此，研究者开始探索一种新的添加剂类型——聚离子液体（PILs），它结合了离子液体和聚合物的优点，同时具备独特的性能。

聚离子液体（PILs）作为新型添加剂，其优势主要体现在以下几个方面。首先，PILs具有比传统聚合物更强的缺陷钝化能力，能够更有效地减少钙钛矿薄膜中的缺陷。其次，PILs在晶界处表现出更高的稳定性，这有助于改善钙钛矿薄膜的结构完整性。此外，PILs还表现出较高的离子导电性，这可能对钙钛矿太阳能电池的载流子传输产生积极影响。更重要的是，PILs具有更多的锚定位点，使其能够更全面地钝化钙钛矿薄膜中的缺陷，同时减少离子迁移和聚集，从而提高电池的稳定性和重复性。相比离子液体，PILs在释放钙钛矿薄膜中的残余张力方面也表现出更强的能力，这使得它们在控制钙钛矿晶体生长和实现更精细的空间控制方面具有独特优势。

在本研究中，我们引入了两种基于聚合TFSI阴离子的聚离子液体（PILs）作为添加剂，分别命名为[PMTFSI]Li和[PMTFSI][DCMim]。这些PILs分别含有锂离子（Li?）和咪唑??阳离子（[DCMim]）。我们期望这些PILs能够通过其多个功能基团，如磺酰基（S=O）、羰基（C=O）、腈基（-CN）、三氟甲基（-CF?）等，与钙钛矿材料进行有效相互作用，从而钝化缺陷并提高钙钛矿薄膜的质量。特别是，PILs中的磺酰基可能能够钝化路易斯酸缺陷，并与钙钛矿薄膜中的未配位的Pb2?离子形成有效的相互作用。同时，PILs中的氧原子可能比三氟甲基中的氟原子具有更强的负电性，能够与有机离子形成氢键，从而进一步改善钙钛矿薄膜的稳定性。此外，PILs中的氟原子和饱和碳链可能能够有效排斥水分，这在钙钛矿薄膜在常温常压条件下制备时尤为重要，因为水分常常会破坏钙钛矿薄膜的结构和性能。

为了进一步验证这些PILs的性能，我们将其与传统的TFSI盐（[TFSI]Li）进行比较。实验结果显示，PILs，尤其是[PMTFSI][DCMim]，与钙钛矿基质的相互作用更为显著，这可能导致钙钛矿薄膜的表面发生p型掺杂，从而改善其与后续空穴传输层（HTL）之间的能级匹配。这种能级匹配的优化可能有助于提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。此外，PILs中的多个功能基团可能能够进一步改善钙钛矿薄膜的结晶性，促进更大、更有序的钙钛矿晶体生长，从而提高载流子迁移率和电池效率。同时，这些PILs的引入可能有助于减少钙钛矿薄膜中的非辐射复合损失，从而提升太阳能电池的性能。

为了深入研究这些PILs对钙钛矿薄膜的影响，我们采用了一系列表征手段，包括X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和电流-电压（IV）测试等。XPS分析结果表明，PILs能够有效改变钙钛矿薄膜的表面化学组成，促进更优的能级对齐。SEM和XRD分析结果显示，PILs的引入能够改善钙钛矿薄膜的结晶性和表面形貌，使其更加均匀和平滑。IV测试进一步表明，PILs的引入能够提高钙钛矿太阳能电池的电流密度和填充因子，从而提升其整体效率。此外，PILs的引入还能够有效减少钙钛矿薄膜中的非辐射复合损失，这可能对电池的长期稳定性产生积极影响。

除了对钙钛矿薄膜的性能进行研究外，我们还探讨了PILs在钙钛矿太阳能电池中的实际应用潜力。例如，PILs可以作为多功能中间层，用于改善钙钛矿吸收层与电子传输层（如C60）之间的界面性能。这种中间层的引入能够有效钝化表面陷阱态，减少非辐射复合损失，从而提高电池的效率和稳定性。此外，PILs还可以作为添加剂，用于改善钙钛矿薄膜的结晶性和均匀性，这有助于提升电池的长期稳定性。在某些研究中，PILs被用于制备无迟滞的钙钛矿太阳能电池，这些电池表现出更长的稳定性和更高的效率。

在本研究中，我们特别关注了两种新型PILs的合成和应用。这些PILs基于聚合TFSI阴离子，分别含有Li?和咪唑??阳离子。我们期望这些PILs能够通过其多种功能基团，如磺酰基、羰基、腈基、三氟甲基等，与钙钛矿材料进行有效相互作用，从而钝化缺陷并提高钙钛矿薄膜的质量。实验结果显示，这些PILs在改善钙钛矿薄膜的性能方面表现出显著优势。例如，它们能够有效改善钙钛矿薄膜的结晶性和表面形貌，使其更加均匀和平滑。此外，这些PILs还能够减少钙钛矿薄膜中的非辐射复合损失，从而提升电池的效率和稳定性。

在实际应用中，这些PILs的引入可能对钙钛矿太阳能电池的制备和生产过程产生重要影响。例如，PILs可以作为添加剂，用于改善钙钛矿薄膜的均匀性和结晶性，从而提升电池的性能和稳定性。此外，PILs还可以作为中间层，用于改善钙钛矿吸收层与电子传输层之间的界面性能，减少非辐射复合损失，从而提升电池的效率和稳定性。这些PILs的引入可能有助于减少钙钛矿薄膜中的缺陷，从而提升电池的长期稳定性。此外，PILs的高离子导电性和优异的热稳定性可能对钙钛矿太阳能电池的性能产生积极影响。

总的来说，本研究展示了基于聚合TFSI阴离子的聚离子液体（PILs）在改善钙钛矿薄膜性能方面的巨大潜力。这些PILs不仅能够有效钝化钙钛矿薄膜中的缺陷，还能够改善其结晶性和表面形貌，从而提升太阳能电池的效率和稳定性。此外，PILs的引入可能有助于减少钙钛矿薄膜中的非辐射复合损失，提高电池的长期稳定性。这些结果表明，PILs作为新型添加剂，在钙钛矿太阳能电池的制备和生产过程中具有重要的应用前景。未来的研究可以进一步探索这些PILs在不同环境条件下的性能表现，以及它们在实际应用中的优化策略，从而推动钙钛矿太阳能电池的商业化进程。