离子液体添加剂可提纯宽带隙钙钛矿，从而实现高效且稳定的室内钙钛矿光伏应用

《Journal of Materials Science & Technology》：Ionic-liquid additive purifies wide-bandgap perovskites enabling highly efficient and stable indoor perovskite photovoltaics

　　

陈彦钦|窦大|张思洋|李晨|赵敏琪|孙浩轩|梁丽

物理科学与技术学院，江苏前沿材料物理与器件重点实验室，江苏智能光电感知重点实验室，江苏先进负碳技术重点实验室，能源转换材料与物理中心（CECMP），苏州大学，苏州215006，中国

摘要

光伏技术是物联网（IoT）节点和可穿戴设备等分布式电子设备的理想电源。然而，这些系统通常在光谱特性不同的室内照明和低光子通量下运行，在这种情况下，即使是对缺陷具有容忍性的钙钛矿也会由于陷阱辅助复合而受到影响，导致开路电压（V_oc）损失明显。为了解决宽禁带钙钛矿在室内照明条件下常见的相纯度下降和陷阱密度增加的问题，我们采用了一种基于离子液体的添加剂工程策略，该策略可以抑制残留的碘化铅，并在晶界和埋藏界面处钝化缺陷。结果表明，优化后的室内用钙钛矿光伏器件的光电转换效率从38.62%提高到了41.41%，同时开路电压（V_oc）达到了1.08 V。这些发现为宽禁带钙钛矿的缺陷调控提供了实用的方法，进一步推动了室内光伏技术的发展，为实现物联网设备的可持续供电做出了贡献。

引言

物联网和便携式电子设备的快速发展激发了人们对室内光伏（IPVs）作为可持续电源的极大兴趣[[1], [2], [3], [4]]。在各种光捕获材料中，金属卤化物钙钛矿由于其可调的带隙、低成本制备方法和缺陷容忍性而成为有前景的候选材料[[5], [6], [7]]。尽管具有这些优势，高性能室内钙钛矿光伏（PIPVs）的发展仍受到多种挑战的限制。为了适应室内照明中的高能光子，通常通过混合卤化物带隙工程来实现宽禁带钙钛矿[[8,9]]。然而，复杂的溶液组成和非平衡结晶过程常常导致薄膜组成与理论前驱体化学计量比不符，从而产生未配位的Pb²⁺、卤素空位（例如I^?和Br^?）以及次生相（例如PbI₂和非钙钛矿δ-FAPbI₃)[[10,11]]。这些缺陷往往充当非辐射复合中心，加剧了载流子损失和开路电压（V_oc）的下降，进而限制了光电转换效率（PCE）。在典型的室内照明条件下，这一问题更加严重：低光子通量产生的光生载流子密度远低于饱和缺陷状态所需的密度，从而放大了钙钛矿体内及其界面处固有缺陷的不利影响[[12], [13], [14]]。

减轻钙钛矿中的未配位离子和抑制次生相的形成通常需要不同的添加剂工程策略。由于大多数方法主要针对单一类型的缺陷，当存在多种缺陷时，它们的效果往往受到限制[[15], [16], [17]]。为了扩大钝化范围，人们尝试通过引入多种添加剂来实现多缺陷钝化[[18]]。然而，增加的功能复杂性和添加剂之间缺乏构象约束容易导致相互作用[[19]]，从而无法将陷阱密度降到最低。对于对陷阱状态高度敏感的IPVs来说，这一问题尤为关键，因为在太阳光条件下证明有效的钝化方案在室内光照条件下可能失效。在这方面，单组分离子液体添加剂具有吸引力，因为它们本质上结合了一个空间受阻的阳离子和一个能够稳定卤素环境的阴离子，从而使单一添加剂能够同时抑制相杂质和钝化缺陷。

在这里，我们介绍了一种多功能离子液体添加剂1-苯基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（BZMIMPF₆），它能够在宽禁带钙钛矿中实现双位点缺陷钝化。得益于其空间受阻的咪唑阳离子的协调作用和能够钝化缺陷、稳定晶格的PF₆^?阴离子的协同作用，BZMIMPF₆在结晶过程中同时抑制了缺陷的形成和次生相杂质，从而降低了陷阱密度，并在低光子通量下减少了非辐射复合。结果，优化后的器件在弱室内照明条件下实现了41.41%的光电转换效率（PCE）和1.08 V的高开路电压（V_oc）。值得注意的是，即使在100 mW cm^?2 LED照明条件下进行700小时的最大功率点跟踪（MPPT）后，性能也仅下降了不到5%，这表明了一条实现高效且稳定PIPVs的可行路径。

节选

离子液体添加剂与钙钛矿的相互作用

为了解决宽禁带钙钛矿中的常见问题，包括离子未配位和次生相的形成，我们使用了多功能添加剂BZMIMPF₆，该添加剂含有两种具有明显不同电子特性的离子成分，其[BZMIM]⁺阳离子和PF₆^?阴离子的分子结构见支持信息中的图S1。如图1(a)所示，静电势（ESP）图显示了一个正电区域（蓝色）局部化

结论

总之，我们引入了一种离子液体添加剂BZMIMPF₆，通过双位点协同钝化作用纯化了与室内光谱匹配的宽禁带钙钛矿。[BZMIM]⁺阳离子与未配位的Pb相关缺陷相互作用，而PF₆^?阴离子则促进了阴离子缺陷的钝化，并抑制了晶界和埋藏界面处的缺陷形成，从而提高了相纯度并减少了陷阱介导的复合。因此，优化后的器件在室内光照条件下的光电转换效率达到了41.41%

CRediT作者贡献声明

陈彦钦：撰写 – 原始草稿，可视化，验证，形式分析，数据管理。窦大：撰写 – 原始草稿，可视化，验证，形式分析，数据管理。张思洋：验证，研究。李晨：验证，研究。赵敏琪：方法学，验证。孙浩轩：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目筹措，概念构思。梁丽：监督，资源管理，项目筹措，资金获取

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

作者是该期刊的编委会成员/主编/副主编/客座编辑，未参与本文的编辑审查或发表决定。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（编号52332008、52025028、52572180和52502292）、江苏省高等教育机构的重点学术发展计划（PAPD）、四川省自然科学基金（编号2025ZNSFSC0893）、中国科学技术协会的青年人才提升计划以及Hui-Chun Chin和Tsung-Dao Lee中国本科生研究项目的支持