离子液体突破钙钛矿太阳能电池长期稳定性瓶颈声优配音
钙钛矿太阳能电池（PSCs）的单结效率已突破27%，但其商业化之路一直受限于规模化生产和长期运行稳定性两大挑战。特别是稳定性，即使在隔绝水氧的条件下，其寿命仍远低于硅基太阳能电池，无法满足国际电工委员会约25年使用寿命的商业化标准。尽管通过组分工程、结晶调控、界面修饰等策略取得了进展，但距离目标仍相距甚远。
近日，美国普渡大学窦乐添教授设计了一种带有乙二醇醚侧链的离子液体——甲氧基乙氧基甲基-1-甲基咪唑氯盐（MEM-MIM-Cl），它通过调节钙钛矿结晶和稳定埋底界面，显著提升了器件的效率和稳定性。采用该离子液体的太阳能电池实现了25.9%的光电转换效率，并在90°C高温和1个太阳光持续照射1500小时后，仍能保持初始性能的90%。此外，器件在昼夜循环老化测试中表现出卓越的抗疲劳特性。这项工作阐明了功能性离子液体的设计原理，推动钙钛矿光伏技术向工业化迈进。相关成果“Ionic liquids improve the long-term stability of perovskite solar cells”发表在2025年12月1日的Nature Energy期刊上。论文通讯作者是窦乐添教授，第一作者是徐文战博士和邵文豪博士。
研究首先设计了一系列带有乙二醇醚侧链的离子液体。其中，MEM-MIM-Cl表现最为出色。与具有醚或硫醚侧链的对照组相比，MEM-MIM-Cl修饰的碘化铅薄膜显示出独特的X射线衍射峰和蓝移的吸收光谱，表明其与钙钛矿前驱体发生了特异性相互作用。性能测试证实，MEM-MIM-Cl使器件效率得到最大提升，且阳离子在性能调控中起主导作用。
为了解其作用机制，研究人员分析了离子液体在钙钛矿层内的分布。截面透射电镜和飞行时间二次离子质谱分析显示，MEM-MIM-Cl中的氯元素主要富集在钙钛矿层的底部界面附近，而来自其阳离子的氧元素则在顶部和底部界面均有检测。这表明MEM-MIM-Cl倾向于积聚在钙钛矿与底部NiOₓ/SAM层的界面处声优配音，形成修饰层。相比之下，传统离子液体BMIM-BF₄在界面处的富集程度则微弱得多。
图1 | 离子液体在钙钛矿内的分布。 a，离子液体的分子结构。 b，PSC器件结构。 c，玻璃/ITO/钙钛矿+MEM-MIM-Cl/C₆₀/BCP/Ag的截面TEM图。此处未包含NiOₓ/MeO-2PACz以便仅显示来自离子液体的氧元素分布。 d-f，MEM-MIM-Cl体系中I(d)、Cl(e)和O(f)的EDS元素分布图。 g，BMIM-BF₄体系中F的EDS元素分布图。 h,i，基于含MEM-MIM-Cl(h)和BMIM-BF₄(i)钙钛矿的完整器件的飞行时间二次离子质谱深度剖析图。为清晰起见，钙钛矿的信号从银层处截断；下图TOF-SIMS结果亦同。
这种界面富集行为带来了显著益处。静电势图谱显示，MEM-MIM-Cl的乙二醇醚部分具有显著的负电势，预示其能与NiOₓ中配位不足的Ni(III)或钙钛矿中的Pb(II)发生强相互作用。X射线光电子能谱证实，MEM-MIM-Cl修饰后，Ni的电子结合能降低，表明电子从离子液体转移至Ni。稳态和时间分辨光致发光测量表明，加入MEM-MIM-Cl后，界面处的非辐射复合被有效抑制。通过剥离钙钛矿薄膜观察其底部界面形貌发现，对照样品中存在明显的PbI₂团簇，而MEM-MIM-Cl则完全消除了这些有害聚集，促进了更大晶粒的生长，获得了更均匀、缺陷更少的埋底界面表面。
图2 | 离子液体对钙钛矿埋底界面的影响。 a，MEM-MIM-Cl的静电势分布图。 b，NiOₓ薄膜以及MEM-MIM-Cl修饰的NiOₓ薄膜的Ni 2p XPS谱图。 c，沉积在玻璃/ITO/NiOₓ/SAM上的对照钙钛矿薄膜、含MEM-MIM-Cl和含BMIM-BF₄钙钛矿薄膜（从玻璃侧激发）的时间分辨光致发光谱。 d-f，对照(d)、含MEM-MIM-Cl(e)和含BMIM-BF₄(f)钙钛矿薄膜底部界面的SEM图像。红色圆圈标注为PbI₂团簇。比例尺：200 nm。
离子液体的作用贯穿于钙钛矿结晶的整个过程。研究发现，将MEM-MIM-Cl加入PbI₂薄膜会使其颜色变浅并产生新的XRD衍射峰，意味着形成了一种中间相。傅里叶变换红外光谱显示，MEM-MIM-Cl中乙二醇醚侧链的C-O-C伸缩和弯曲振动峰在与钙钛矿混合后发生位移，证实了醚链与PbI₂之间的配位作用是离子液体与钙钛矿相互作用的核心机制。XPS分析也发现，加入MEM-MIM-Cl后，Pb的电子结合能降低，进一步支持了配位作用。掠入射广角X射线散射在退火初期观察到一个源自PbI₂/MEM-MIM-Cl复合物的新衍射环，该环在充分退火后消失，表明该中间相引导了近乎完全的前驱体转化，实现了从分子到形貌层面的结晶调控。密度泛函理论计算表明，乙二醇醚基团对Pb²⁺具有最强的吸附能，这使其能优先与配位不足的Pb(II)结合，从而有效钝化碘空位缺陷。
图3 | 离子液体介导的钙钛矿结晶过程。 a，摩尔比为1.0:1.0的PbI₂、PbI₂+MEM-MIM-Cl和PbI₂+BMIM-BF₄混合薄膜的照片及吸收光谱。 b，PbI₂、PbI₂+MEM-MIM-Cl和PbI₂+BMIM-BF₄混合薄膜的XRD图谱。 c，钙钛矿、钙钛矿+MEM-MIM-Cl和钙钛矿+BMIM-BF₄薄膜的FTIR光谱。 d，钙钛矿及钙钛矿+MEM-MIM-Cl薄膜的Pb 4f XPS谱图。 e，钙钛矿、钙钛矿+MEM-MIM-Cl和钙钛矿+BMIM-BF₄薄膜的时间分辨光致发光谱。圆点为实验数据，曲线为拟合结果。 f，MEM-MIM-Cl对钙钛矿的潜在钝化机制示意图。 g-i，退火2分钟后的钙钛矿薄膜的掠入射广角X射线散射图。红色虚线框标出了一个新出现的衍射环。 j，MEM-MIM-Cl与FA⁺、Pb²⁺和I⁻相互作用位点的示意图。 k，乙二醇醚基团与钙钛矿表面组分的吸附能计算值。PVSK代表钙钛矿。
最终，基于MEM-MIM-Cl的冠军器件实现了25.9%的最高效率，平均效率达25.14%，且电流-电压滞后效应减小。在极端老化条件下（90°C，持续1个太阳光照），MEM-MIM-Cl器件在1500小时后仍保持90%的初始效率，而对照器件在700小时后效率便降至50%。在85%相对湿度和65°C的湿热测试中，MEM-MIM-Cl器件也表现出更强的稳定性。昼夜循环老化测试进一步凸显了其抗疲劳特性。稳定性提升的机理在于，MEM-MIM-Cl有效抑制了老化过程中PbI₂的生成与析出，并显著阻碍了碘离子和溴离子在光照下的迁移与相分离，从而维持了器件结构的完整。
图4 | 钙钛矿薄膜与器件的稳定性。 a，PSC在反向扫描（扫描速率32.5 mV s⁻¹）下的电流-电压曲线。 b，冠军器件（含MEM-MIM-Cl）的外量子效率及对应的积分短路电流密度。 c，器件在光照下最大功率点处的稳态输出。 d，封装器件在开路条件下，于90°C高温结合1个太阳光持续照射时的效率追踪。 e，封装器件在开路条件下，于85%相对湿度结合65°C温度时的效率追踪。 f，钙钛矿薄膜在90°C高温结合1个太阳光持续照射下的XRD谱图演变。 g,h，基于对照钙钛矿(g)和含MEM-MIM-Cl钙钛矿(h)的完整器件，在老化前后（90°C结合连续光照10天）钙钛矿薄膜中I和Br强度的TOF-SIMS深度剖析图。
这项研究通过多种分析手段系统验证了MEM-MIM-Cl离子液体在提升钙钛矿薄膜质量、钝化缺陷、稳定界面方面的多重功效。其核心优势在于通过乙二醇醚侧链实现的强力螯合作用，同步优化了结晶初始调控与界面钝化。研究还展示了该策略在不同带隙钙钛矿组分（包括1.75 eV宽带隙和無甲胺钙钛矿）以及1 cm²较大面积器件上的良好适用性和性能提升，凸显了此类离子液体分子设计的精确可调性与广阔应用前景，为钙钛矿太阳能电池走向工业化奠定了重要的材料基础。
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