離子液體BMIMBF4調控混合鹵化物鈣鈦礦光致相分離的機制研究

混合鹵化物鈣鈦礦因低成本、光譜響應可調的優勢，成為下一代多結太陽能電池的核心候選材料，但其光照下易發生鹵化物相分離（如MAPbI1.5Br1.5中碘、溴自發分離形成富碘/富溴區域），嚴重降低電池效率與穩定性，這一問題自2015年被發現后一直困擾業界。

為解決該難題，科學家嘗試通過優化結晶度、引入添加劑等方式抑制相分離，其中離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（BMIMBF4）表現突出，可有效降低鈣鈦礦缺陷密度、提升器件性能，但它對光致相分離的具體影響及作用機制尚未明確。

德國拜羅伊特大學Helen Grüninger團隊針對性開展研究，聚焦微晶尺寸、缺陷密度及離子液體BMIMBF4三大關鍵因素，探究其對鈣鈦礦光致相分離的調控作用。研究者通過機械化學法合成不同條件的MAPbI1.5Br1.5鈣鈦礦粉末，表征發現，不同樣品成分均勻、帶隙相近，核心差異在于微晶尺寸與顆粒形貌。

實驗對比顯示，缺陷密度與相分離速率呈正相關，缺陷越高則分離越快；添加離子液體BMIMBF4可鈍化缺陷、減緩分離速率，但不影響平衡分離程度；微晶尺寸主導相分離熱力學極限，尺寸越大分離越徹底但速率越慢，且~40 nm為抑制相分離的臨界尺寸。理論對比表明，極化子模型和帶隙模型可同時解釋動力學與熱力學結果，電場模型和氧化模型則無法說明熱力學與尺寸的關聯。

綜上，該研究明確：混合鹵化物鈣鈦礦光致相分離的動力學由缺陷密度主導，離子液體BMIMBF4可通過缺陷鈍化減緩分離動力學，而熱力學平衡極限由微晶尺寸決定，二者無內在關聯。該成果為離子液體在鈣鈦礦太陽能電池中的應用提供了理論支撐，也為設計高穩定性鈣鈦礦材料、推動其產業化奠定基礎。

原文鏈接：

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

原文作者：

Fatemeh Haddadi Barzoki, Markus Griesbach, Anna K?hler, and Helen Grüninger

DOI: 10.1021/acsenergylett.5c04123