西南石油大学研究生院，西南石油大学研究生院官网
【研究背景】
作为一种有机半导体材料，经典的锂盐掺杂的spiro-OMeTAD空穴传输层被广泛应用于钙钛矿太阳能电池和硒硫化锑太阳能电池，辅助相关器件不断刷出新的世界纪录。尽管其具备出色的电学特性，但掺杂过程的可控性问题和锂盐掺杂后空穴传输层的稳定性问题仍缺乏深层次研究。经典的锂盐掺杂的spiro-OMeTAD空穴传输层需要空气或氧气激活，这导致了其高度依赖激活环境。而且，锂盐掺杂降低了空穴材料的使用寿命，包括（1）其亲水特性导致功能层在湿气下的衰减，（2）诱发功能层在热作用下的变形，（3）锂离子易于扩散至其他功能层导致器件衰减。因此，减少锂盐掺杂对spiro-OMeTAD空穴传输层稳定性所带来的负面影响至关重要。
【成果简介】
澳大利亚新南威尔士大学郝晓静团队与西南石油大学张萌课题组采用廉价的烷基硫醇衍生物，通过反应降低锂盐掺杂的spiro-OMeTAD空穴传输层的激活时间，同时利用烷基硫醇与锂盐的分子间的相互作用，控制经典锂盐在空穴传输层中的分布，提高空穴传输层在湿气、热、光下等压力下的结构完整性。进而将改进的spiro-OMeTAD空穴传输功能层应用于多种杂化钙钛矿电池与纯无机硒硫化锑电池，提升相应器件效率以及器件的长期工作稳定性。其中0.09cm2钙钛矿电池取得认证效率23.1%， 1.0cm2钙钛矿电池取得认证效率21.7%。在烷基硫醇的辅助下，含有锂盐掺杂的spiro-OMeTAD钙钛矿电池工作稳定性T90超过1000小时。
【图文简介】
★烷基硫醇在spiro-OMeTAD空穴传输层中的作用
在传统空气或氧气激活操作前，烷基硫醇通过其在蒸发过程中独特的衍生反应，较大程度诱发并氧化spiro-OMeTAD空穴传输层，生成氧化态的spiro-OMeTAD·+。烷基硫醇极大提高了经典锂盐掺杂的spiro-OMeTAD空穴传输层的疏水性，并明显降低spiro-OMeTAD空穴传输层中的针孔尺寸，抑制水汽的渗透。同时，烷基硫醇通过与锂盐的相互作用，有效改善了锂盐在空穴传输层中的分布均匀程度，消除了不利于器件性能的界面材料聚集与体材料浓度梯度问题。
★烷基硫醇对不同组分钙钛矿器件性能的影响
受益于烷基硫醇对掺杂过程的控制与空穴传输层电学性能的提高，相应钙钛矿电池器件效率呈现明显提高。对于一步法制备的FA(MA,Cs)PbI(Br)3钙钛矿器件，基于烷基硫醇技术的器件在空气激活前表现出20%的效率，空气激活后提升至21.8% （认证效率21.63%）。相反，传统控制样在空气激活前仅表现出8.7%的效率，空气激活后提升至20.2%。烷基硫醇有效提高了器件的开路电压和填充因子。对于两步法制备的FA(MA,Cs)PbI3钙钛矿器件，与控制样的22.7%的转化效率相比，基于烷基硫醇技术的器件同样表现出高达24.6%的转化效率(认证效率23.1%)。在更大面积的器件（1.0 cm2）方面，烷基硫醇表现出23.1%的转化效率（认证效率21.72%）。
★烷基硫醇对不同老化条件下器件稳定性的影响
受益于烷基硫醇对spiro-OMeTAD空穴传输功能层物理化学特性的改善以及能够与锂盐的分子间相互作用，相应钙钛矿电池器件在不同压力下的长期稳定性能呈现明显提升。在RH=50%的湿度压力下，基于烷基硫醇技术的器件在500小时后仍能保持97%的器件峰值效率。在50-80℃的热压力下，基于烷基硫醇技术的器件在144小时后仍能保持90%以上的器件峰值效率。在开路条件连续光照压力下，基于烷基硫醇技术的器件在2000小时后仍能保持93%的器件峰值效率。在最大功率输出条件连续光照压力下，基于烷基硫醇技术的器件在1000小时后仍能保持90%的器件峰值效率。
Xu Liu, et al. Perovskite solar cells based on spiro-OMeTAD stabilised with an alkylthiol additive. Nature Photonics, 2022, DOI:s41566-022-01111-x
https://www.nature.com/articles/s41566-022-01111-x
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