1.發(fā)展了CO2氣體快速處理空穴傳輸層的方法2.這種CO2氣體處理方法比目前常用O2氣氛處理過程效果更好鈣鈦礦太陽能電池中，通常使用摻雜型有機半導體作為連接光吸收層與電極的電荷抽取層，其中spiro-OMeTAD是最為常用的空穴導電層材料，空穴導電層的性能高低將顯著影響太陽能電池的電荷富集效率。通常人們在spiro-OMeTAD中摻雜LiTFSI，隨后在空氣、光照環(huán)境中暴露。在該過程中，O2作為p型摻雜劑，摻雜過程非常耗時，對環(huán)境要求苛刻，這導致該過程難以應(yīng)用于鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化過程。有鑒于此，紐約大學André D. Taylor等報道了一種快速、可重復(fù)性較高的對空穴傳輸層進行摻雜的方法，通過暴露在紫外光條件中對spiro-OMeTAD: LiTFSI溶液進行CO2氣體處理，在該過程中CO2能夠從光激發(fā)的spiro-OMeTAD中獲得電子，這種過程能夠?qū)崿F(xiàn)非常快速的p摻雜。通過CO2處理，spiro-OMeTAD: LiTFSI的導電性能夠提高了100倍，比O2處理過程的導電性高5倍，同時在組裝的鈣鈦礦電池中實現(xiàn)了穩(wěn)定和高效率的特點，而且無需進一步的后處理。這種CO2氣體修飾同樣能夠用于π-共軛聚合物空穴傳輸材料摻雜。在目前常用的氧氣處理spiro-OMeTAD: LiTFSI過程中，O-2作為摻雜劑：(i) spiro-OMeTAD + O2 → spiro-OMeTAD?+O2??;(ii) spiro-OMeTAD?+O2?? + LiTFSI → spiro-OMeTAD?+TFSI? + LixOy. 此外spiro-OMeTAD?+TFSI?能夠進一步氧化，生成雙電子氧化狀態(tài)。這種O2氧化摻雜過程有兩個主要缺點：O2在spiro-OMeTAD:TFSI中的擴散較為耗時；這種反應(yīng)存在反應(yīng)不完全，可能導致層中殘留LixOy副產(chǎn)物。作者考察了分別向spiro-OMeTAD:LiTFSI溶液中通入O2氣體或者CO2氣體1 min，同時暴露在365 nm紫外光照射，紫外光的能量為~3.4 eV，spiro-OMeTAD能帶~3 eV。發(fā)現(xiàn)在通入O2氣體過程中在500 nm和1600 nm產(chǎn)生弱極化子（polaron）吸收峰，說明spiro-OMeTAD發(fā)生氧化。在通入CO2的過程中，光吸收譜發(fā)生與通入O2氣體非常類似的現(xiàn)象，同時吸收峰強度變化更加明顯，作者認為這是因為通入CO2導致更多的spiro-OMeTAD分子被氧化。通過DFT計算，作者驗證了吸收峰變化對應(yīng)于spiro-OMeTAD氧化后的部分占據(jù)或者全空狀態(tài)HOMO極化子。隨后作者通過吸收光譜進行分析，推測摻雜效率~11.33 %。隨后作者通過XPS、GC-FID、TGA-MS等方法表征了LiTFSI與CO2反應(yīng)生成沉淀Li2CO3的情況，結(jié)果顯示51 %的LiTFSI在摻雜過程中被消耗，因此spiro-OMeTAD/LiTFSI的比例為6:4。作者將CO2處理的spiro-OMeTAD:LiTFSI作為空穴傳輸層組裝了鈣鈦礦太陽能電池，考察電池的性能達到19.1 %，開路電壓Voc=1.14 V，JSC=21.2 mA cm-2，F(xiàn)F=0.79。對比發(fā)現(xiàn)，O2處理的spiro-OMeTAD:LiTFSI組裝的電池性能為17.3 %，開路電壓Voc=1.14 V，JSC=20.9 mA cm-2，F(xiàn)F=0.74。作者發(fā)現(xiàn)，CO2處理的電池界面缺陷濃度在暴露空氣前后沒有明顯增加，但是本征未作任何處理的spiro-OMeTAD:LiTFSI、O2-鼓泡處理的spiro-OMeTAD:LiTFSI構(gòu)建的電池在暴露空氣前后缺陷濃度均有所降低，分別從3.86 × 1016 cm?3 降低至7.02 × 1015 cm?3、從 1.67 × 1016 cm?3降低至 6.94 × 1015 cm?3。這種改善缺陷濃度穩(wěn)定性的原因是由于CO2處理過程中形成穩(wěn)定性較高Li2CO3，該物種溶解度非常低，能夠通過過濾除去。作者通過TOF-SIMS 2D元素分布圖，發(fā)現(xiàn)CO2處理導致Li離子濃度顯著降低（比未做處理的電池濃度降低1~2個數(shù)量級），驗證了其中對效率產(chǎn)生影響的Li離子得以消除。此外，作者發(fā)現(xiàn)這種CO2處理方法能夠用于P3HT、PBDB-T、PTAA、MEH-PPV等共軛聚合物，有效的改善聚合物的導電率，改善聚合物制備電池的效率，由11.5%提高至13.0% (P3HT)、由17.3%提高至22.1% (PBDB-T)、由16.7%提高至18.0% (PTAA)、由16.0%提高至17.8% (MEH-PPV)。Jaemin Kong et al. CO2 doping of organic interlayers for perovskite solar cells, Nature 594, 51–56 (2021)DOI: 10.1038/s41586-021-03518-yhttps://www.nature.com/articles/s41586-021-03518-y
