大多数高效钙钛矿太阳能电池(PSC)都是基于掺杂的spiro-MeOTAD作为空穴传输层。化学通式为 LiN(SO2CnF2n+1)2(对于 LiFSI、LiTFSI 和 LiPFSI,n = 0、1 和 2)的磺酰亚胺锂是候选掺杂剂。
通常使用LiTFSI是迄今为止作为有效的添加剂(对spiro体系而言)目前的25%以上的效率均由Li盐掺杂的spiro作为空穴传输层。但 最近,Wu等人( )报道了通过增加锂盐中的氟含量,例如双(五氟乙磺酰)亚胺(LiPFSI,也称为LiBETI),可以提高PCE和湿度稳定性,PCE从20.25%增加到了22.14%,湿度稳定性也得到改善。即得出结论: 由于氟取代度较高,LiPFSI的功率转换效率 (PCE) 优于LiTFSI 。然而,有人认为,由于增加疏水性和疏油性极性C-F键, LiPFSI会干扰spiro MeOTAD薄膜的均匀性和与钙钛矿层的界面上存在问题。
鉴于此,成均馆大学Nam-Gyu Park等人系统地研究了不同氟取代量的Li盐对光伏性能的影响,却得出了不同的结论。
为了实验的客观性和可靠性,来着Nam-Gyu Park课题组的四位不同研究人员独立制造了PSC,并进行了电池性能测试统计。研究发现,基于四种Li盐添加剂的电池平均效率值按以下顺序排列,LiTFSI ≈ LiFSI > LiPFSI,广泛使用的LiTFSI与LiFSI效率接近,明显高于LiPFSI的效率。
LiPFSI相对较低的性能归因于界面问题和聚集体形成导致膜不均匀,这与全氟化增加的疏水性和疏油性有关。然而,LiFSI由于疏水性较低而具有较差的水分稳定性。
研究人员得出的结论是,由于中等疏水性, LiTFSI在效率和稳定性方面是研究候选者中合适的掺杂剂 。
ACS Energy Lett.:锂盐中的氟取代对钙钛矿太电池性能性的影响
双三氟甲磺酰亚胺锂(Li-TFSI)添加剂被广泛用于改善钙钛矿太阳能电池(PSC)中空穴传输层(HTL)的空穴迁移率。然而,Li-TFSI的吸湿特性不利于PSCs的长期稳定性。云南大学华雍副研究员等人采用了一种新的更防水的Li-PFSI来取代Li-TFSI。
探索出了三种结构相似的F取代锂盐,分别称为Li-FSI,Li-TFSI和Li-PFSI,作为2,2′,7,7′-四(N,N-二对甲氧基苯基-胺)-9,9′-螺双芴(Spiro-OMeTAD)的添加剂。紧接着系统地研究了锂盐中氟取代数(2F的Li-FSI,6F的Li-TFSI和10F的Li-PFSI)对Spiro-OMeTAD物理性能的影响,以及它们在PSCs中的光伏性能。
结果表明,Li-PFSI处理的PSCs的最佳功率转换效率(PCE)为22.14%,超过了Li-TFSI处理的对照电池(20.25%)。重要的是,基于Li-PFSI的电池显示出令人印象深刻的环境和热稳定性。
结果表明,在锂盐中引入更多的F取代可以使Spiro-OMeTAD具有更好的空穴提取/转移能力,更好的HTM表面形貌,并降低钙钛矿材料中的电荷复合率和陷阱缺陷。此外,随着氟取代数从6位增加到10位,Spiro-OMeTAD膜的疏水性明显增加,这有利于提高PSCs的长期稳定性。
这项工作表明更多的氟取代可以改善PSC中的HTL载流子转移和光伏性能。这些发现为设计高效稳定的PSCs新添加剂提供了关键缺失信息。
参考文献:
1. Seul-Gi Kim,et al. Effect of Fluorine Substitution in a Hole Dopant on the Photovoltaic Performance of Perovskite Solar Cells, ACS Energy Lett. 2022, 7, 741–748
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c02807
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.1c02807
2. Tai Wu et al. Understanding the Effects of Fluorine Substitution in Lithium Salt on Photovoltaic Properties and Stability of Perovskite Solar Cells. ACS Energy Lett. 2021, 2218-2228.
DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00685.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c00685
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