王睿教授、薛晶晶研究员：作用于Spiro-OMeTAD与钙钛矿界面的离子迁移抑制剂实现稳定的钙钛矿太阳能电池

第一作者：许嘉哲

通讯作者：王睿*，薛晶晶*

单位：西湖大学，浙江大学

在空穴传输层中使用掺杂剂可以提升空穴传输层（HTL）的迁移率并优化空穴传输层与钙钛矿的能级匹配，这对于实现正式钙钛矿太阳能电池的高转化效率（PCE）至关重要。然而，使用最广泛的空穴传输层2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴（Spiro-OMeTAD）中常使用双（三氟甲基磺酰基）酰亚胺锂（Li-TFSI）作为掺杂剂。Li-TFSI不仅具有吸湿性，同时锂离子会自发的迁移到邻近的功能层，特别是钙钛矿中。这是影响钙钛矿太阳能电池长期稳定性的主要因素之一。

近日，来自西湖大学的王睿教授与浙江大学的薛晶晶研究员合作，在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Ion-migration inhibitor for Spiro-OMeTAD/ perovskite contact towards stable perovskite solar cells”的文章。该文章提供了一种多功能离子迁移抑制剂，4-甲磺酰基-苯甲脒盐酸盐（MSBH），作用于Spiro-OMeTAD/钙钛矿界面，来控制离子迁移。在钙钛矿太阳能电池的长期运行过程中，MSBH抑制了锂离子向钙钛矿的迁移，不仅保留了Spiro-OMeTAD的高空穴传输能力，而且避免了锂离子对钙钛矿的有害掺杂。结果，Spiro-OMeTAD和钙钛矿都得到了保护，并且器件的稳定性显著增强。MSBH处理的器件表现出高达25.3%的转化效率。由于抑制了锂离子的迁移，MSBH处理的器件在连续一个太阳光强照射520小时以上后保持了90%的初始效率，在60±5℃加热740小时后保持了80%的初始效率，在50±5℃下跟踪1000小时后保持92%的初始效率。

4-甲磺酰基-苯甲脒盐酸盐（MSBH）具备两个官能团，甲磺酰基以及脒基。其中，甲磺酰基与碱金属具有较强的配位性，可以抑制Spiro-OMeTAD中的锂离子向钙钛矿层迁移以及在Spiro-OMeTAD中的耗竭，保持了空穴传输层的传输能力。同时MSBH结构另一端的脒基与碘化铅有强相互作用，可以钝化钙钛矿表面的A位空位缺陷。

MSBH的脒基通过填充钙钛矿的A位空位缺陷，抑制钙钛矿的缺陷产生，同时占据离子迁移通道，阻碍了锂离子的迁移。密度泛函理论（DFT）计算证明了MSBH的处理大大增强了锂离子的迁移势垒，并且减弱了锂离子与铅碘八面体框架的作用。老化500小时器件的飞行时间二次离子质谱（Tof-SIMS）结果证明了MSBH对锂离子迁移的抑制。

通过开尔文探针力显微镜以及导电原子力显微镜表征了加热老化过程中，锂离子对钙钛矿电学性质的影响以及MSBH对钙钛矿电学性质的保护。

MSBH抑制剂的处理钝化了钙钛矿的缺陷、优化了钙钛矿与空穴传输层的能级排列并且提升了钙钛矿的导电性。因此，MSBH处理后的钙钛矿太阳能电池的光电转化效率得到了提升。同时，通过对锂离子迁移的抑制，我们记录了MSBH处理后的器件在连续1太阳光照下520小时的T90、在60±5℃下加热老化740小时的T80、和在50±5℃的最大功率点（MPP）跟踪下1000小时的T92。

Ion-migration inhibitor for Spiro-OMeTAD/ perovskite contact towards stable perovskite solar cells

王睿教授简介：王睿，西湖大学工学院研究员 2021年4月全职加入西湖大学工学院。曾入选福布斯中国及亚太30岁以下30人，以及麻省理工科技评论全球科技创新35人，阿里巴巴达摩院青橙奖等。长期从事第三代太阳能电池的研究工作，曾以第一作者或通讯作者身份在Nature (2篇)，Science (2篇)，Nature Photonics, Joule，Advanced Materials，JACS，Matter，Nano Letters等旗舰杂志发表论文近30篇，研究成果被包括科学美国人，福布斯等多家知名媒体报道。

薛晶晶研究员简介：浙江大学材料科学与工程学院、硅材料国家重点实验室“百人计划”研究员、博士生导师。入选国家高层次人才引进计划。2016年9月于南京大学化学化工学院取得学士学位，2020年5月于加州大学洛杉矶分校材料科学与工程学院取得博士学位，师从半导体光电材料与器件领域国际著名学者Yang Yang教授，博士毕业后在加州大学洛杉矶分校继续博士后研究工作。于2021年全职加入浙江大学材料科学与工程学院。目前主要从事金属卤化物钙钛矿光电材料与器件研究。先后共发表SCI论文40余篇，其中以第一或通讯作者在Science、Nature、Nat. Photonics、Nat. Rev. Mater.、Nat. Energy、Adv. Mater.、Joule、J. Am. Chem. Soc. 等期刊发表学术论文近20篇，多篇论文入选ESI热点和高被引论文。

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