Comparison of PSCs based on the conventional and IM radical doping strategy. The illustration of the complex in-situ reaction processes in the conventional doping recipe (left) and the clean, instant IM radical doping strategy (right) of spiro-OMeTAD.
Vědci vyvinuli revoluční metodu pro perovskitové solární články, která kombinuje stabilní organické radikály a iontové soli ke zvýšení účinnosti a stability. Tradiční postupy využívají hydroskopické soli lithia a organické přísady, vyžadují hodiny oxidace, které vedou k nestabilitě. Nová strategie, nazvaná iontově modulované radikálové dopování, využívá předem syntetizované radikály spiro-OMeTAD²⁺(TFSI⁻)₂. Ty po smíchání s neutrálním spiro-OMeTAD okamžitě vytvářejí vodivé „díry“ (polarony). Iontové soli, jako TBMP⁺TFSI⁻, dále upravují tzv. pracovní funkci materiálu, což optimalizuje energetické hladiny a snižuje ztráty napětí.
Klíčovou roli v pochopení mechanismu sehrála NMR spektroskopie. Analýza ¹H NMR spekter odhalila výměnu elektronů mezi radikály a neutrálním spiro-OMeTAD, zesílenou přítomností iontových solí. Experimentální 19F ssNMR data, potvrdila, že iontové soli podporují coulombické síly mezi radikály a protiionty, čímž optimalizují pracovní funkci materiálu bez snížení vodivosti. Díky tomu dosáhly články účinnosti 25 % a výjimečné stability—1 200 hodin i při vysoké vlhkosti po dobu 800 hodin za teploty 70°C.
Ion-modulated radical doping of spiro-OMeTAD for more efficient and stable perovskite solar cells
A groundbreaking doping strategy for perovskite solar cells has been developed, combining stable organic radicals and ionic salts to enhance efficiency and stability. Traditional methods use hygroscopic lithium salts and organic additives, requiring hours of oxidation which leading to instability. The new approach, called ion-modulated radical doping, employs pre-synthesized spiro-OMeTAD²⁺(TFSI⁻)₂ radicals, which instantly generate conductive hole polarons when mixed with neutral spiro-OMeTAD. Ionic salts like TBMP⁺TFSI⁻ further fine-tune the work function of material, aligning energy levels to minimize voltage losses.
Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy played a pivotal role in unraveling molecular interactions. By analyzing ¹H NMR spectra, researchers observed electron exchange between radicals and neutral spiro-OMeTAD, intensified by ionic salts. The solid-state ¹⁹F NMR data confirmed that ionic salts support of Coulombic forces between radicals and counterions, optimizing the work function of material without compromising conductivity. In summary, solar cells with a record 25% efficiency and unprecedented stability—surviving 1,200 hours under high humidity and 800 hours at 70°C.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo2757
