离子液体BMIMBF4调控混合卤化物钙钛矿光致相分离的机制研究

混合卤化物钙钛矿因低成本、光谱响应可调的优势，成为下一代多结太阳能电池的核心候选材料，但其光照下易发生卤化物相分离（如MAPbI1.5Br1.5中碘、溴自发分离形成富碘/富溴区域），严重降低电池效率与稳定性，这一问题自2015年被发现后一直困扰业界。

为解决该难题，科学家尝试通过优化结晶度、引入添加剂等方式抑制相分离，其中离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（BMIMBF4）表现突出，可有效降低钙钛矿缺陷密度、提升器件性能，但它对光致相分离的具体影响及作用机制尚未明确。

德国拜罗伊特大学Helen Grüninger团队针对性开展研究，聚焦微晶尺寸、缺陷密度及离子液体BMIMBF4三大关键因素，探究其对钙钛矿光致相分离的调控作用。研究者通过机械化学法合成不同条件的MAPbI1.5Br1.5钙钛矿粉末，表征发现，不同样品成分均匀、带隙相近，核心差异在于微晶尺寸与颗粒形貌。

实验对比显示，缺陷密度与相分离速率呈正相关，缺陷越高则分离越快；添加离子液体BMIMBF4可钝化缺陷、减缓分离速率，但不影响平衡分离程度；微晶尺寸主导相分离热力学极限，尺寸越大分离越彻底但速率越慢，且~40 nm为抑制相分离的临界尺寸。理论对比表明，极化子模型和带隙模型可同时解释动力学与热力学结果，电场模型和氧化模型则无法说明热力学与尺寸的关联。

综上，该研究明确：混合卤化物钙钛矿光致相分离的动力学由缺陷密度主导，离子液体BMIMBF4可通过缺陷钝化减缓分离动力学，而热力学平衡极限由微晶尺寸决定，二者无内在关联。该成果为离子液体在钙钛矿太阳能电池中的应用提供了理论支撑，也为设计高稳定性钙钛矿材料、推动其产业化奠定基础。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c04123

原文作者：

Fatemeh Haddadi Barzoki, Markus Griesbach, Anna Köhler, and Helen Grüninger

DOI: 10.1021/acsenergylett.5c04123