窦乐添，Nature Energy！

米测MeLab

2025-12-04

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

尽管单结钙钛矿太阳能电池（PSCs）已实现了高达27%的功率转换效率（PCE），但其商业化仍受到可扩展性和长期运行稳定性的挑战所阻碍。目前的寿命远低于国际电工委员会标准要求的约25年商业可行性运行寿命。离子液体（ILs）因其非挥发性、不燃性、高离子电导率以及优异的热稳定性和电化学稳定性，被认为是增强钙钛矿薄膜质量和器件稳定性的有前景的体修饰剂。

关键问题

目前，钙钛矿太阳能电池的研究主要存在以下问题：

1、长期运行稳定性不足

尽管PSCs的效率很高，但其寿命远低于商业可行性所需的约25年运行寿命，即使排除了水和氧气等环境应力源，寿命仍然比硅太阳能电池短得多。

2、      离子液体作用机制不清晰

离子液体（ILs）作为提高钙钛矿薄膜质量和器件稳定性的有效手段，虽然已得到广泛研究，但其在钙钛矿结晶过程中的机理作用机制仍知之甚少，限制了对ILs介导的薄膜生长机制的全面理解。

新思路

有鉴于此，美国普渡大学窦乐添等人设计了一种离子液体，即甲氧基乙氧基甲基-1-甲基咪唑氯化物 (MEM-MIM-Cl)，它带有乙二醇醚侧链，通过与NiO_x的协同相互作用来调控钙钛矿生长并稳定掩埋界面。MEM-MIM-Cl通过与配位不足的Pb(II)螯合，诱导形成一种新型的中间相，从而抑制缺陷和缺陷引起的降解。掺入MEM-MIM-Cl的太阳能电池实现了25.9%的功率转换效率，并在连续 1-sun 光照和90℃热应力下，在1,500 小时后仍保留其初始性能的90%——超越了在更温和老化条件下的先前基准。此外，昼夜循环老化揭示了前所未有的疲劳抵抗性，凸显了MEM-MIM-Cl在同时提高效率和运行弹性方面的双重作用。这项工作阐明了功能性离子液体的设计原则，同时推动了钙钛矿光伏器件迈向工业可行性。

技术方案：

1、分析了离子液体在钙钛矿层内的分布

新型离子液体在钙钛矿层中阴离子富集于底部，阳离子分布在顶部和底部界面，主要聚集在钙钛矿与层的掩埋界面。

2、探究了掩埋界面处IL对缺陷的影响

研究揭示离子液体在掩埋界面处与钙钛矿阳离子的协同作用机制，促进成核位点形成，减少缺陷，抑制非辐射复合。

3、研究了结晶调控与体相缺陷钝化

离子液体与钙钛矿前驱体强相互作用，调控结晶，形成中间复合物，钝化缺陷，提升钙钛矿质量与载流子寿命。

4、演示了太阳能器件性能和超长时稳定性

结果表明，掺入离子液体的钙钛矿太阳能电池效率高、稳定性强，抗湿热和疲劳，源于缺陷减少和离子迁移抑制。

技术优势：

1、设计了功能化离子液体并解析了其双重作用机制

本文设计了一种具有乙二醇醚侧链的新型离子液体，该IL不仅通过与配位不足的螯合调控了钙钛矿晶体生长并抑制了缺陷，还通过协同作用稳定了掩埋界面。它实现了同时提高器件效率和运行弹性的双重作用。

2、在严苛条件下实现了卓越的长期稳定性

引入的器件在连续1-sun光照和热应力下的极端老化条件下，在1,500小时后仍保持初始PCE的90%，显著优于对照组和对照IL（BMIM-BF₄），证明了该策略在推进钙钛矿光伏器件迈向工业可行性方面的巨大潜力。

技术细节

离子液体在钙钛矿层内的分布

交叉截面透射电子显微镜（TEM）和能量色散光谱（EDS）分析显示，新型离子液体在与钙钛矿层混合时表现出优先富集现象。虽然钙钛矿主体元素（如Pb、I、Cs和Br）在约800厚的钙钛矿层中分布均匀，但来自IL的阴离子主要集中在钙钛矿层的底部，而来自其阳离子的O元素在顶部和底部界面均被检测到。飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）分析进一步证实，在底部界面处的强度明显高于钙钛矿体相，这些发现表明MEM-MIM-Cl主要聚集在钙钛矿与NiO_x/SAM层之间的掩埋界面处。作为对比，对照IL BMIM-BF₄中的和在掩埋界面的强度仅略高于体相。

图  离子液体在钙钛矿中的分布

掩埋界面处IL对缺陷的影响

研究阐明了MEM-MIM-Cl在掩埋界面处的协同作用机制，其静电势（ESP）图显示乙二醇醚部分具有显著的负电势，表明能与NiO_x中的Ni(III)或钙钛矿中的Pb(II)等阳离子有强烈的相互作用。XPS结果证实，修饰的薄膜中的峰位向较低结合能移动，这归因于电子从IL转移到配位不足的Ni(III)，增加了Ni处的电子密度。此外，扫描电子显微镜（SEM）分析发现，对照组在晶粒之间有明显的PbI₂聚集体，而MEM-MIM-Cl的加入有效地消除了这些PbI₂聚集体，这归因于乙二醇醚侧链与Pb(II)离子的螯合驱动配位作用，促进了扩大成核位点的形成。时间分辨光致发光（TRPL）数据也显示，掺入MEM-MIM-Cl的薄膜具有更长的平均寿命，表明缺陷减少有效抑制了非辐射复合。

图  离子注入对钙钛矿埋层界面的影响

结晶调控与体相缺陷钝化

MEM-MIM-Cl通过与钙钛矿前驱体的强相互作用，调控了整个钙钛矿层的结晶。这种相互作用导致PbI₂薄膜的颜色变浅并伴有蓝移，XRD分析显示出现一个新的衍射峰，表明形成了新型的中间复合物。傅立叶变换红外光谱（FTIR）证实，MEM-MIM-Cl侧链的伸缩和弯曲信号发生了偏移，表明乙二醇醚侧链与PbI₂的配位是介导-钙钛矿相互作用的核心机制。密度泛函理论（DFT）计算显示，乙二醇醚侧链对Pb²⁺具有更强的结合亲和力（吸附能为-2.12 eV），因此能有效钝化易于形成的碘空位缺陷（V_I⁺）。这种受控结晶最终使钙钛矿晶粒尺寸增大且残余PbI₂被抑制，光致发光量子产率（PLQY）和TRPL测量结果证实，MEM-MIM-Cl修饰的薄膜形成了缺陷减少的高质量层，载流子复合寿命显著增加至535.49ns。

图  离子液体介导的钙钛矿晶化

器件性能与超长时稳定

掺入MEM-MIM-Cl的钙钛矿太阳能电池实现了最高25.90%的PCE，1500小时后仍能保持初始PCE的90%，显著超越了先前在更温和条件下的基准。此外，MEM-MIM-Cl修饰的器件对85%相对湿度和65℃的湿热条件也更具抵抗力，并且昼夜循环老化测试显示出前所未有的疲劳抵抗性。这种卓越稳定性归因于缺陷减少和离子迁移的抑制；TOF-SIMS分析显示，对照器件在老化后发生明显的卤素离子迁移，而含MEM-MIM-Cl的器件则表现出对光照的强抵抗力，未观察到明显的卤素离子迁移。

图  钙钛矿薄膜和器件的稳定性

展望

本文成功设计并应用了新型离子液体MEM-MIM-Cl，通过其乙二醇醚侧链与配位不足的Pb(II)螯合，有效调控了钙钛矿的结晶过程，促进了新型中间相的形成，并抑制了PbI₂缺陷和聚集。该IL优先富集并稳定了钙钛矿-NiO_x/SAM掩埋界面。最终器件实现了25.9%的PCE和1,500小时的长时稳定性，同时表现出卓越的疲劳抵抗性和对卤素离子迁移的强抵抗力。这项工作为功能性离子液体的设计提供了指导原则，是推动钙钛矿光伏技术走向工业可行性的重要进展。

参考文献：

Xu, W., Shao, W., Tang, Y. et al. Ionic liquids improve the long-term stability of perovskite solar cells. Nat Energy (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41560-025-01906-6