近日，《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)以“Organic N-type Molecule: Managing the Electronic States of Bulk Perovskite for High-Performance Photovoltaics”为题，在线报道了苏州大学李耀文教授通过有机n型掺杂剂调控钙钛矿活性层电子态，在制备高效稳定的p-i-n钙钛矿太阳能电池方面取得的重要研究进展。(Adv. Funct. Mater., DOI: 10.1002/adfm.202001788)
近年来，平面p-i-n钙钛矿太阳能电池因其简单的器件结构、可溶液加工、低温制备等优点引起了科研工作者的广泛关注，并获得了飞速发展。然而，在p型半导体（空穴传输层）上生长出的更偏p型钙钛矿薄膜，通常存在大量的缺电子缺陷，因此易产生严重的非辐射复合，并且限制电子抽提界面处的抽提效率，致使其器件效率普遍低于n-i-p钙钛矿太阳能电池。基于此，苏州大学李耀文教授等人合成了两种n型有机分子（DMBI-2-Th和DMBI-2-Th-I）用作钙钛矿活性层的掺杂剂。通过实验和理论计算证明了n型有机分子可通过氢转移而形成具有较高单电子占轨道（SOMO）的自由基。因此，SOMO轨道上的电子很容易受热激活转移到钙钛矿（MAPbI3）导带中，从而实现n型掺杂，调节钙钛矿本体电子态。
同时，通过碘离子的引入，掺杂剂DMBI-2-Th-I具有更强的掺杂能力，可以进一步提高对钙钛矿的n型掺杂程度。通过这一策略，不仅有效提高了钙钛矿整体的电子态浓度，降低了钙钛矿薄膜中电子陷阱密度，同时还改善了界面处电子的抽提能力。
最终，DMBI-2-Th-I掺杂的钙钛太阳能电池的非辐射复合得到显著抑制，光伏性能得到了明显地提升。不仅如此，器件在高湿度条件下的稳定性也得到显著改善。该工作首次报道了有机n型掺杂剂调控钙钛矿本体电子态的方法，为促进钙钛矿太阳能电池的发展开辟了新途径。
作者利用DMBI衍生物具有高效的氢转移形成有机自由基的特点，设计并合成了有机n型掺杂剂DMBI-2-Th和其离子化产物DMBI-2-Th-I。如图1a-b，当把富电子的噻吩与DMBI衍生物结合时，材料形成有机自由基和实现n型掺杂的能力得以提高。此外，碘离子的引入有利于进一步提高材料电子云密度和SOMO能级，从而为DMBI-2-Th-I和钙钛矿之间的电子转移提供更强的驱动力，实现对钙钛矿更有效的电子态调控。如图1c-d所示，作者结合电子顺磁共振波谱图与理论计算对此进行了验证。
从图2中场效应晶体管的Ids–Vg曲线、莫特-肖特基曲线以及UPS图谱可以看出，DMBI-2-Th和DMBI-2-Th-I的掺入，使得钙钛矿薄膜更偏n型，其中DMBI-2-Th-I效果尤为显著。
表1：基于不同活性层制备所样品的荧光量子产率。
由表1中PLQY和图4中的测试可以发现，钙钛矿体相及电子传输层界面处的非辐射复合在更偏n型的钙钛矿中得到有效抑制，界面处电子的抽提和传输性能得到提升。
综上所述，该工作首次通过有机n型掺杂剂实现对钙钛矿本体电子态的调控，制备了更偏n型的钙钛矿活性层，从而抑制了钙钛矿体相及界面处的非辐射复合，同时提高了电子在界面处的抽提效率、改善了钙钛矿晶体质量、平衡了载流子传输，最终实现了器件性能和稳定性的全面提升。
该工作通讯作者为苏州大学李永舫院士团队的李耀文教授，第一作者是苏州大学博士研究生陈海阳。该研究成果得到了国家优秀青年科学基金（51922074），重点国际（地区）合作研究项目（5181001093）、国家自然科学基金面上项目（51673138）等项目的资助和支持。
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