最近，倒置钙钛矿太阳能电池（iPSCs）因其作为串联光伏中的顶层电池应用而受到广泛关注，导致其效率和稳定性都有显著提升。在多种改进策略中，在钙钛矿顶表面沉积氟化锂（LiF）成为提高 iPSCs 功率转换效率（PCE）的重要环节。
然而，LiF 的钝化机制仍然未完全理解。例如，已知 LiF 通过形成偶极层来钝化钙钛矿表面，从而增加光生载流子提取的驱动力，并抑制非辐射复合。Li+ 阳离子以其在钙钛矿晶格中扩散的倾向而著称，因此，偶极中间层可能无法维持。成均馆大学Jin-Wook Lee等人制造了具有宽带隙的 iPSCs，结构为 ITO/2PACz/FA0.91Cs0.09PbI2.3Br0.7/LiF/C60/BCP/Ag。与未使用 LiF 的器件相比，沉积 LiF 层提高了 PCE，并增强了开路电压（VOC）和填充因子（FF）（图 1a 和 S1）。在氮气气氛下的黑暗条件下储存 LiF 处理的器件时，性能增强表现出一定的可重复趋势。在存储约 50 小时后，FF 在长达 1,000 小时的延长老化过程中几乎保持其饱和值（图 1b 和 S2）。另一方面，短路电流密度（JSC）和 VOC 几乎未发生变化。
进行了飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）分析，以研究老化时间对离子分布变化的影响。在新设备中，C60/钙钛矿界面检测到大部分的 Li+ 和 F– 离子（图 1d,f）。对于老化后的设备，大量的 Li+ 离子渗透到钙钛矿层中，而 F– 离子仍然保持在界面（图 1e,g）。还测量了器件中钙钛矿层的 X 射线衍射（XRD）图谱，以检查 Li+ 离子重分布的影响（图 1c）。如图 S3 和表 S1 所示，钙钛矿的 (100) 峰以及其他所有平面在老化后向较低角度移动，表明晶格膨胀，而与 ITO 和银相关的峰在整个老化过程中保持不变。进一步的老化对峰位几乎没有影响。锂离子通过占据间隙位移入钙钛矿可能是导致晶格膨胀的原因。因此，在钙钛矿顶部表面附近的 Li+ 间隙占据与老化引起的填充因子的改善有关。
采用高分辨率横截面开尔文探针力显微镜（KPFM）验证了通过间隙 Li+ 掺杂引起的器件带结构变化。在新设备中，C60/LiF/钙钛矿界面观察到陡峭的功函数梯度，表明形成了狭窄的耗尽区（图 2a–c）。随着老化的进行，钙钛矿顶部界面的功函数负移，形成了更宽的耗尽区（约 150 nm；图 2d–f）。在没有 LiF 的老化设备中未观察到功函数梯度的扩展（图 S4），这表明间隙 Li+ 的掺入在钙钛矿顶部表面附近诱导了 n 型掺杂。靠近后界面的耗尽区的扩展将为光生电子提取提供驱动力，特别是在开路条件或最大功率点（MPP）附近，此时内建电场被施加的偏置补偿（图 S5 和 S6 及补充说明 1）。通过稳态光致发光（PL）和时间分辨光致发光（TRPL）测量证明了随着老化引起的掺杂改善了载流子提取，其中观察到 LiF 夹杂设备的 PL 强度降低且 PL 衰减加快（图 S7 和表 S2）。然而，在相同老化条件下，没有 LiF 的设备未观察到这一趋势。在图 S8 中，使用泊松方程计算了在恒定光照下，基于接触电位差（CPD）测量的累积载流子密度（补充说明 2，图 S9）。在新设备中，钙钛矿/空穴传输层界面附近形成的滞留电荷暗示了光生电子收集受到阻碍，这是由于电子提取界面处耗尽区较短所导致的。相反，在老化设备中，由于间隙 Li+ 掺杂在光照短路操作过程中在 C60/LiF/钙钛矿界面周围诱导了有利的电场，因此未观察到滞留电荷（图 S10）。
LiF in Inverted Perovskite Solar Cells: Dipole or Doping?
Seung-Gu Choi, Sung-Kwang Jung, Joo-Hong Lee, Jae-Hwan Kim, Wenting Zheng, and Jin-Wook Lee
ACS Energy Letters 0, 9
DOI: 10.1021/acsenergylett.4c02000
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.4c02000
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