王鋒&高峰Science：五年磨一劍鈣鈦礦太陽能電池

一、【導讀】

金屬鹵化物鈣鈦礦在單結和串聯太陽能電池中都取得了令人印象深刻的功率轉換效率 (PCE)。然而，限制其實際應用的一個關鍵挑戰是高效率和高穩定性之間的權衡，這個問題不僅取決于鈣鈦礦材料，還取決于電荷傳輸層。目前，大多數功率轉換效率（PCE）>24% 的高性能鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 均基于由雙（三氟甲烷）磺酰亞胺鋰 (LiTFSI) 和 4-叔丁基吡啶 (tBP) 摻雜的基準空穴傳輸層 (HTL)材料2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴（spiro-OMeTAD）。然而，用吸濕性LiTFSI和揮發性tBP來常規摻雜spiro-OMeTAD是一個耗時的過程，并且還導致器件穩定性差。

二、【成果掠影】

近日，瑞典林雪平大學高峰教授課題組發表了研究性論文，開發了一種新的spiro-OMeTAD摻雜策略，通過使用穩定的有機自由基作為摻雜劑和離子鹽作為摻雜調節劑（稱為離子調制自由基摻雜）來避免常規摻雜面臨的十幾個小時的后氧化過程。同時，優化的器件實現了>25%的PCE，并且其穩定性得到顯著提高。本文第一作者為張天愷和王鋒，通訊作者是王鋒和高峰教授。

相關研究文章以“Ion-modulated radical doping of spiro-OMeTAD for more efficient and stable perovskite solar cells”為題發表在Science上。

三、【核心創新點】

• 離子調制自由基摻雜策略中，自由基提供空穴極化子，可立即增加電導率和功函(WF)，離子鹽通過影響空穴極化子的能量進一步調節WF

四、【數據概覽】

圖1 基于常規摻雜和離子調制 (IM) 自由基摻雜策略的鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的比較 ? 2022 AAAS

圖2 自由基和離子鹽對電導率和能量的影響 ? 2022 AAAS

圖3 IM自由基摻雜的分子水平摻雜機制 ? 2022 AAAS

圖4 IM 自由基摻雜策略的一般性? 2022 AAAS

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五、【成果啟示】

因為空穴極化子的能量對其局部離子環境敏感，所以 IM 自由基摻雜策略為根據離子鹽的性質調控WF提供了空間。通過控制離子鹽和自由基配合物之間的相互作用強度，可以在大范圍內實現WF調節，并且比通過界面分子偶極子調節WF更容易調節。因此，IM 自由基摻雜策略填補了之前幾種增強 WF 和導電性策略之間的空白，并極大地擴展了有機半導體摻雜的手段。

原文詳情： Science 377, 495-501 (2022). https://doi.org/10.1126/science.abo2757.

本文由景行供稿