離子液體BMIMBF4調(diào)控混合鹵化物鈣鈦礦光致相分離的機(jī)制研究

混合鹵化物鈣鈦礦因低成本、光譜響應(yīng)可調(diào)的優(yōu)勢(shì)，成為下一代多結(jié)太陽(yáng)能電池的核心候選材料，但其光照下易發(fā)生鹵化物相分離（如MAPbI1.5Br1.5中碘、溴自發(fā)分離形成富碘/富溴區(qū)域），嚴(yán)重降低電池效率與穩(wěn)定性，這一問題自2015年被發(fā)現(xiàn)后一直困擾業(yè)界。

為解決該難題，科學(xué)家嘗試通過(guò)優(yōu)化結(jié)晶度、引入添加劑等方式抑制相分離，其中離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（BMIMBF4）表現(xiàn)突出，可有效降低鈣鈦礦缺陷密度、提升器件性能，但它對(duì)光致相分離的具體影響及作用機(jī)制尚未明確。

德國(guó)拜羅伊特大學(xué)Helen Grüninger團(tuán)隊(duì)針對(duì)性開展研究，聚焦微晶尺寸、缺陷密度及離子液體BMIMBF4三大關(guān)鍵因素，探究其對(duì)鈣鈦礦光致相分離的調(diào)控作用。研究者通過(guò)機(jī)械化學(xué)法合成不同條件的MAPbI1.5Br1.5鈣鈦礦粉末，表征發(fā)現(xiàn)，不同樣品成分均勻、帶隙相近，核心差異在于微晶尺寸與顆粒形貌。

實(shí)驗(yàn)對(duì)比顯示，缺陷密度與相分離速率呈正相關(guān)，缺陷越高則分離越快；添加離子液體BMIMBF4可鈍化缺陷、減緩分離速率，但不影響平衡分離程度；微晶尺寸主導(dǎo)相分離熱力學(xué)極限，尺寸越大分離越徹底但速率越慢，且~40 nm為抑制相分離的臨界尺寸。理論對(duì)比表明，極化子模型和帶隙模型可同時(shí)解釋動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)結(jié)果，電場(chǎng)模型和氧化模型則無(wú)法說(shuō)明熱力學(xué)與尺寸的關(guān)聯(lián)。

綜上，該研究明確：混合鹵化物鈣鈦礦光致相分離的動(dòng)力學(xué)由缺陷密度主導(dǎo)，離子液體BMIMBF4可通過(guò)缺陷鈍化減緩分離動(dòng)力學(xué)，而熱力學(xué)平衡極限由微晶尺寸決定，二者無(wú)內(nèi)在關(guān)聯(lián)。該成果為離子液體在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用提供了理論支撐，也為設(shè)計(jì)高穩(wěn)定性鈣鈦礦材料、推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c04123

原文作者：

Fatemeh Haddadi Barzoki, Markus Griesbach, Anna K?hler, and Helen Grüninger

DOI: 10.1021/acsenergylett.5c04123