尽管钙钛矿太阳能电池（PSCs）在功率转换效率（PCE）方面取得了重大进展，但器件不稳定性仍然是商业应用的一大障碍。这种不稳定性主要源于卤化物离子的迁移，特别是碘离子（I−）。在光暴露和热应力下，I−迁移并转化为I2，导致不可逆的降解和性能损失。
2024年11月18日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所葛子义研究员、刘畅研究员、孟员员博士团队在Advanced Materials期刊发表题为“Universal Approach for Managing Iodine Migration in Inverted Single‐Junction and Tandem Perovskite Solar Cells”的研究论文，团队成员Song Zhenhua、Sun Kexuan、孟员员为论文共同第一作者，孟员员博士、刘畅研究员、葛子义研究员为论文共同通讯作者。
为了解决这一问题，该研究在钙钛矿中引入了添加剂2,1,3-苯并噻二唑,5,6-二氟-4,7-双（4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二杂氧硼烷-2-基）（BT2F-2B）。未杂化的p轨道和来自I−的孤对电子之间的强配位抑制了MAI/FAI的去质子化和随后的I−到I₂的转化。高电负性氟增强了与I−的静电相互作用。因此，BT2F-2B的协同效应有效抑制了钙钛矿的分解和碘化物空位的缺陷密度。这种方法可使倒置单结PSCs的PCE超过26%，具有出色的运行稳定性。根据ISOS-L-3测试协议（在85°C和50%相对湿度下的最大功率点跟踪），经过处理的PSCs在1000小时老化后仍保持其原始PCE的85%。当BT2F-2B应用于宽带隙（1.77 eV）钙钛矿体系时，全钙钛矿串联太阳能电池的PCE达到27.8%，证实了所提出策略的通用性。
DOI：10.1002/adma.202410779
该研究开发了一种体积大且电中性的路易斯酸，用于控制PSCs中碘离子的迁移。设计了含硼酸酯制剂4,7-双（4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二杂氧硼烷-2-基）-2,1,3-苯并噻二唑（BT-2B）和2,1,3-苯并噻二唑,5,6-二氟-4,7-双（4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二杂氧戊硼烷-2-基）（BT2F-2B），并将其引入钙钛矿前驱体溶液中。它们的分子结构如图1a所示。未杂化的p轨道和来自I−的孤对电子之间的强配位有效地抑制了MAI/FAI的去质子化和随后的I−到I₂的转化。引入电负性F（在BT2F-2B中）导致电子从硼酸酯中撤出，导致硼酸酯上带有部分正电荷，增强了其与I−的静电相互作用。驻留在晶界上的大分子（BT2F-2B）阻止了I−的迁移，抑制了碘化物、Pb空位和相应间隙的缺陷形成。因此，该策略将倒置PSCs的PCE从23.9%（对照）提高到26.0%（目标），并且目标器件表现出优异的运行稳定性，在室温下ISOS-L-1标准下最大功率点（MPP）跟踪1000小时后，仍保持94%的效率。更重要的是，在先进的ISOS-L-3测试协议下，在50%相对湿度和85°C的1个太阳光照射下，这些设备在MPP跟踪1000小时后仍保留了>85%的原始PCE。相比之下，对照设备的PCE表现出完全退化。此外，将BT2F-2B应用于宽带隙（1.77 eV）钙钛矿，制备了全钙钛矿串联太阳能电池，PCE显著提高，从26.5%（对照）提高到27.8%（目标）。器件光伏性能的显著提高证明了这种策略对于具有不同带隙的钙钛矿系统的通用性。
总之，通过引入BT2F-2B，该研究证明了一种在苛刻条件下抑制钙钛矿薄膜中碘化物损失和迁移的有效方法。未杂化的p轨道和来自I-的孤对电子之间的强配位可以有效地锁定I-并阻止其迁移。引入F（来自BT2F-2B）导致电子从硼酸酯中撤出，导致硼酸酯带部分正电荷，增强其与I−的静电相互作用。BT2F-2B的协同作用有效抑制了碘化物相关缺陷（包括空位和间隙）的形成，提高了钙钛矿在光应力下的结构稳定性。因此，在ISOS-L-1和ISOS-L-3测试协议下，目标PSCs倒置单结器件的PCE达到了26.0%以上，具有出色的长期运行稳定性。此外，将BT2F-2B加入到宽带隙（1.77 eV）钙钛矿中用于制造全钙钛矿串联太阳能电池，将PCE从26.5%显著提高到27.8%。该研究为提高PSCs的稳定性提供了一种通用方法，也为开发高性能、耐用的PSCs用于不同带隙的钙钛矿体系提供了可行途径。
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