陳江照和Nam-Gyu Park Small Methods：非鹵素材料在高效穩定鈣鈦礦太陽能電池中的應用?

自Park等人首次報道全固態鈣鈦礦太陽能電池（PSC）以來，PSC得到了學術界和工業界的廣泛關注。迄今為止，得益于各種各樣的策略（如組分工程、前驅體工程、溶劑工程、添加劑工程、界面工程等）PSC已經取得了高達25.5%的記錄認證效率。鹵素與非鹵素陰離子在以上策略中起著至關重要的作用。鹵素陰離子PSC中的作用已經獲得了廣泛的研究。然而，目前非鹵素分子陰離子在PSC中的作用還沒有被完全理解，有待于進一步深入研究。各種各樣的分子陰離子已經被探索與嘗試，如四氟硼酸陰離子（BF₄^-）、六氟磷酸陰離子（PF₆^-）、硫氰酸根（SCN^-）、甲酸根（HCOO^-）、乙酸根（CH₃COO^-）、硝酸根（NO₃^-）、碳酸根（CO₃^2-）、硫酸根（SO₄^2-）等。

眾所周知，金屬鹵鈣鈦礦常常擁有ABX₃的化學式，其中A為單價陽離子（如MA⁺、FA⁺），B為二價金屬陽離子（如Pb²⁺、Sn²⁺），X為一價陰離子（如鹵素陰離子、SCN^-、BF₄^-）。為了增加X位陰離子的選擇性和將X位設計潛力最大化，人們已經嘗試使用一些分子陰離子（如SCN^-、BF₄^-）來制備混合陰離子鈣鈦礦。通過在MAPbI₃中納入BF₄^-陰離子薄膜電學性質得到改進。人們已經廣泛證明在鈣鈦礦晶格中引入SCN^-能夠改善薄膜的濕度穩定性。此外，通過在鈣鈦礦前驅體材料中引入CH₃COO^-和HCOO^-能夠調控鈣鈦礦成核速率、結晶與生長，從而制備出高質量的鈣鈦礦薄膜。例如，當使用BAAc來替代傳統的正丁胺氫碘酸鹽（BAI）作為前驅體材料時可以獲得純相的Ruddlesden–Popper二維鈣鈦礦薄膜。因此，通過在鈣鈦礦前驅體材料中引入分子陰離子來調控鈣鈦礦薄膜質量是行之有效的。為了改善鈣鈦礦薄膜的質量，人們開發了含分子陰離子的各種各樣的添加劑分子，包含CH₃COO^-、SCN^-、BF₄^-、HCOO^-、H₂PO₂^-等陰離子。

除了改善鈣鈦礦薄膜質量之外，分子陰離子也被使用來摻雜電荷傳輸材料。例如，LiTFSI和Cs₂CO₃被用來摻雜二氧化鈦電子傳輸層，提升了器件的功率轉換效率。LiTFSI被廣泛用來摻雜有機空穴傳輸材料（如Spiro-MeOTAD、PTAA）。為了克服由吸濕摻雜劑LiTFSI鹽所造成的差的器件濕度穩定性，各種各樣的含分子陰離子的摻雜劑已經被開發了替代LiTFSI鹽，如AgTFSI、Zn(TFSI)₂、Cu(I/II)(dpm)₂(PF₆)₂?(JQ1)、bis[2,2′-(chloromethylene)-dipyridine] copper(II) bis[bis(trifluoromethylsulfonyl) imide] [Cu(bpcm)₂]、Spiro-MeOTAD(TFSI)₂等。除了用作摻雜劑，分子陰離子也被直接引入電荷傳輸材料中。例如，1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽（[EMIM]PF₆）離子液體被用作電子傳輸層來制備PSC，取得了14.39%的PCE。CuSCN在正式和反式PSC被廣泛用作空穴傳輸材料，表現出優異的效率和穩定性。最后，各種各樣的含分子陰離子的界面材料已經被開發來修飾鈣鈦礦/載流子傳輸層界面。

盡管分子陰離子在PSC的應用取得了巨大的研究進展，據我們所知，目前還沒有相關的綜述報道。鑒于分子陰離子在提升器件效率和穩定性方面所做出的巨大貢獻，迫切需要一篇系統深入的綜述來總結分子陰離子在PSC中的應用進展，旨在將分子陰離子PSC中的應用潛力最大化。鑒于此，重慶大學陳江照研究員和韓國成均館大學Nam-Gyu Park教授撰寫了一篇題為《Non-Halide Materials for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells》的綜述文章。本綜述主要討論分子陰離子在PSC中的應用進展及其作用，旨在促進分子陰離子在PSC中的應用進展，進一步突破效率和穩定性瓶頸，實現其大規模商業化應用。

圖文導讀

圖1 非鹵素材料在鈣鈦礦太陽能電池中的應用

文獻鏈接：Jiangzhao Chen^*, Nam-Gyu Park^*.?Non-halide materials for efficient and stable perovskite solar cells. Small Methods?2021, 2100311. https://doi.org/10.1002/smtd.202100311

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