咪唑基离子液修饰钙钛矿太阳能电池及其性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0005

摘要/Abstract

摘要： 宽带隙钙钛矿太阳能电池是晶硅-钙钛矿叠层电池的主要组成部分。宽带隙钙钛矿材料存在缺陷密度大、非辐射复合严重等问题，限制了宽带隙钙钛矿太阳能电池的发展。为改善这些问题，本研究提出了一种利用离子液1-丁基-3-甲基咪唑甲磺酸盐（BMM）修饰钙钛矿薄膜的方法。通过研究不同浓度BMM添加剂对钙钛矿薄膜及其电池性能的影响，发现调控BMM的添加量能够提升结晶质量，减少薄膜内部的缺陷，从而提高钙钛矿太阳能电池性能。在最佳条件下，钙钛矿电池的效率高达20.27%，各项光电性能均实现了明显的改善，同时也表现出优良的稳定性。这些结果有力地证明了BMM作为一种有效的添加剂，对于制备高质量的钙钛矿薄膜和实现高性能的器件具有巨大的潜力，为未来的实际应用提供了重要的参考。

关键词: 钙钛矿; 添加剂; 非辐射复合; 钝化; 结晶调控; 光伏性能; 稳定性

Abstract: Wide-bandgap perovskite solar cells are a key component of silicon-perovskite tandem solar cells. However， the development of wide-bandgap perovskite solar cells has been hindered by issues such as high defect density and severe non-radiative recombination in wide-bandgap perovskite materials. To address these issues， this study proposes a method for modifying perovskite films using the ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium methanesulfonate （BMM）. By investigating the effects of different BMM concentrations on perovskite films and their solar cell performance， it is found that optimizing the BMM additive amount can enhance crystallization quality and reduce internal film defects， thereby improving the performance of perovskite solar cells. Under optimal conditions， the perovskite solar cells achieved an efficiency of 20.27%， with significant improvements in various optoelectronic properties and excellent stability. These results strongly demonstrate that BMM， as an effective additive， holds great potential for the fabrication of high-quality perovskite films and the realization of high-performance devices， providing important insights references for future practical applications.

Key words: perovskite; additive; non-radiative recombination; passivation; crystallization modulation; photovoltaic performance; stability

中图分类号:

TM914.4

加雪峰, 阮妙, 叶林峰, 倪玉凤, 郭永刚, 高鹏. 咪唑基离子液修饰钙钛矿太阳能电池及其性能研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(5): 864-872.

JIA Xuefeng, RUAN Miao, YE Linfeng, NI Yufeng, GUO Yonggang, GAO Peng. Imidazolium Ionic Liquid-Modified Perovskite Solar Cells and Its Performance Characteristics[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(5): 864-872.

图/表 10

图1 钙钛矿太阳能电池制备流程示意图

Fig.1 Schematic diagram of the fabrication process of perovskite solar cells

图2 添加不同浓度BMM的钙钛矿薄膜SEM照片

Fig.2 SEM images of perovskite films with different concentrations of BMM

图3 添加不同浓度BMM的钙钛矿薄膜AFM照片

Fig.3 AFM images of perovskite films with different concentrations of BMM

图4 添加不同浓度BMM的钙钛矿薄膜XRD图谱

Fig.4 XRD patterns of perovskite films with different concentrations of BMM

图5 未添加BMM与添加BMM的钙钛矿薄膜的XPS全谱（a）、Pb 4f谱（b）、I 3d谱（c）和FTIR图谱（d）

Fig.5 XPS survey spectra （a）， Pb 4f spectra （b）， I 3d spectra （c）， and FTIR spectra （d） of perovskite films without and with BMM

图6 添加不同浓度BMM的钙钛矿薄膜的UV-Vis图谱（a）、PL图谱（b）和TRPL图谱（c）

Fig.6 UV-Vis absorption spectra （a）， PL spectra （b）， and TRPL spectra （c） of perovskite films with different concentrations of BMM

图7 添加不同浓度BMM的钙钛矿薄膜的接触角测试

Fig.7 Contact angle test of perovskite films with different concentrations of BMM

图8 （a）对照电池、0.5 mg/mL BMM电池、1.0 mg/mL BMM电池、1.5 mg/mL BMM电池的最佳J-V曲线图，插图为不同BMM添加量的钙钛矿电池的光电性能参数；（b）1.0 mg/mL BMM电池与对照电池最佳J-V正反扫曲线图

Fig.8 （a） Optimal J-V curves for the control cells， 0.5 mg/mL BMM cells， 1.0 mg/mL BMM cells， and 1.5 mg/mL BMM cells， the inset shows the optoelectronic performance parameters of perovskite solar cells with different BMM additions；（b） optimal J-V curves for forward and reverse scans of the 1 mg/mL BMM cells compared to the control cells

图9 Mott-Schottky图

Fig.9 Mott-Schottky diagram

图10 湿度稳定性图

Fig.10 Humidity stability diagram

参考文献 27

1	GREEN M A， EMERY K， HISHIKAWA Y， et al. Solar cell efficiency tables （version 49）［J］. Progress in Photovoltaics： Research and Applications， 2017， 25（1）： 3-13.
2	WANG R H， ZHU J W， YOU J Y， et al. Custom-tailored solvent engineering for efficient wide-bandgap perovskite solar cells with a wide processing window and low VOC losses［J］. Energy & Environmental Science.， 2024， 17（7）： 2662-2669.
3	YI Z J， WANG W H， HE R， et al. Achieving a high open-circuit voltage of 1.339 V in 1.77 eV wide-bandgap perovskite solar cells via self-assembled monolayers［J］. Energy & Environmental Science， 2024， 17（1）： 202-209.
4	李卓芯，冯旭铮，陈香港，等. 添加剂提高宽带隙钙钛矿太阳电池的性能［J］. 太阳能学报， 2024， 45（4）： 30-35.
	LI Z X， FENG X Z， CHEN X G， et al. Additive improves performance of wide bandgap perovskite solar cells［J］. Acta Energiae Solaris Sinica， 2024， 45（4）： 30-35 （in Chinese）.
5	胡　蝶，孙　庆，孟祥歆，等. 基于氨基酸衍生物盐酸盐添加剂制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池［J］. 高等学校化学学报， 2024， 45（5）： 100-109.
	HU D， SUN Q， MENG X X， et al. Preparation of efficient and stable perovskite solar cells based on amino acid derivative hydrochloride additives［J］. Chemical Journal of Chinese Universities， 2024， 45（5）： 100-109 （in Chinese）.
6	HUANG T Y， TAN S， NURYYEVA S， et al. Performance-limiting formation dynamics in mixed-halide perovskites［J］. Science Advances， 2021， 7（46）： 1799.
7	UDDIN M A， RANA P J S， NI Z Y， et al. Iodide manipulation using zinc additives for efficient perovskite solar minimodules［J］. Nature Communications， 2024， 15（1）： 1355. DOI PMID
8	CAO Y， FENG J S， XU Z， et al. Bifunctional trifluorophenylacetic acid additive for stable and highly efficient flexible perovskite solar cell［J］. InfoMat， 2023， 5（10）： 12423.
9	ZHOU W W， TAI S Y， LI Y， et al. Achieving high-quality perovskite films with guanidine-based additives for efficient and stable methylammonium-free perovskite solar cells［J］. Advanced Functional Materials， 2024， 34（46）： 2407897.
10	张晓春，王立坤，商文丽，等. 基于双修饰策略制备高性能反式钙钛矿太阳能电池的研究［J］. 物理学报， 2024， 73（24）： 248401.
	ZHANG X C， WANG L K， SHANG W L， et al. Fabrication of high-performance inverted perovskite solar cells based on dual modification strategy［J］. Acta Physica Sinica， 2024， 73（24）： 248401 （in Chinese）.
11	NIZAMANI N， WANG K L， JIN R J， et al. Dual-functional group passivation to foster buried interface Cohesion for high-performance perovskite photovoltaics［J］. Chemical Engineering Journal， 2024， 498： 155183.
12	HUANG Y C， YAN K R， WANG X J， et al. High-efficiency inverted perovskite solar cells via in situ passivation directed crystallization［J］. Advanced Materials， 2024， 36（41）： 2408101.
13	MA Y Y， LI F M， GONG J， et al. Bi-molecular kinetic competition for surface passivation in high-performance perovskite solar cells［J］. Energy & Environmental Science， 2024， 17（4）： 1570-1579.
14	GAO H， XIAO K， LIN R X， et al. Homogeneous crystallization and buried interface passivation for perovskite tandem solar modules［J］. Science， 2024， 383（6685）： 855-859. DOI PMID
15	TU Y B， LI G D， YE J C， et al. Multifunctional imidazolidinyl urea additive initiated complex with PbI₂ toward efficient and stable perovskite solar cells［J］. Small， 2024， 20（19）： 2309033.
16	FENG Q F， HUANG X F， TANG Z H， et al. Governing PbI₆ octahedral frameworks for high-stability perovskite solar modules［J］. Energy & Environmental Science， 2022， 15（10）： 4404-4413.
17	ZHOU Q， HE D M， ZHUANG Q X， et al. Revealing steric-hindrance-dependent buried interface defect passivation mechanism in efficient and stable perovskite solar cells with mitigated tensile stress［J］. Advanced Functional Materials， 2022， 32（36）： 2205507.
18	CAO S G， BI Z N， ZHENG T J， et al. Revealing interaction of fluorinated propylamine hydrochloride with precursor and defect states of perovskite films toward efficient flexible solar cells［J］. Advanced Functional Materials， 2024， 34（42）： 2405078.
19	LIAO K J， LI C B， XIE L S， et al. Hot-casting large-grain perovskite film for efficient solar cells： film formation and device performance［J］. Nano-Micro Letters， 2020， 12（1）： 156.
20	CHENG C D， YAO Y G， LI L， et al. A novel organic phosphonate additive induced stable and efficient perovskite solar cells with efficiency over 24% enabled by synergetic crystallization promotion and defect passivation［J］. Nano Letters， 2023， 23（19）： 8850-8859.
21	WANG X Z， ZHAO Q Q， LI Z P， et al. Improved performance and stability of perovskite solar cells by iodine-immobilizing with small and flexible bis（amide） molecule［J］. Chemical Engineering Journal， 2023， 451： 138559.
22	WEN H X， ZHANG Z， GUO Y X， et al. Synergistic full-scale defect passivation enables high-efficiency and stable perovskite solar cells［J］. Advanced Energy Materials， 2023， 13（44）： 2301813.
23	YANG Y， CHANG Q， YANG Y Y， et al. Multifunctional molecule interface modification for high-performance inverted wide-bandgap perovskite cells and modules［J］. Journal of Materials Chemistry A， 2023， 11（31）： 16871-16877.
24	YI Z J， ZHANG W G， XIONG Y C， et al. Significant efficiency and stability enhancement of flexible perovskite solar cells combining with multifunctional effects of a natural spice［J］. Advanced Functional Materials， 2024， 34（9）： 2310194.
25	XIE J S， HUANG K， YU X G， et al. Enhanced electronic properties of SnO₂ via electron transfer from graphene quantum dots for efficient perovskite solar cells［J］. ACS Nano， 2017， 11（9）： 9176-9182.
26	KIM M， KIM G H， LEE T K， et al. Methylammonium chloride induces intermediate phase stabilization for efficient perovskite solar cells［J］. Joule， 2019， 3（9）： 2179-2192.
27	马逾辉. 缺陷钝化改善钙钛矿太阳能电池性能的研究［D］. 南京：南京邮电大学， 2021.
	MA Y H. Research on defects passivation in improving the performance of perovskite solar cells［D］. Nanjing： Nanjing University of Posts and Telecommunications， 2021 （in Chinese）.

[1]	王智超, 叶林峰, 阮妙, 杨超, 加雪峰, 倪玉凤, 郭永刚, 高鹏. 钙钛矿太阳电池中的脒基小分子界面修饰策略[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(5): 873-881.
[2]	宋志成, 张博, 张春福, 屈小勇, 倪玉凤, 高嘉庆. p型TBC电池发射极制备工艺[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(5): 857-863.
[3]	闵月淇, 谢文钦, 谢亮, 安康. Pd掺杂调控CsPbX₃(X=Cl,Br,I)光电性能研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(4): 605-616.
[4]	高嘉庆, 屈小勇, 吴翔, 郭永刚, 王永冈, 汪梁, 谭新, 杨鑫泽. p型TOPCon结构的隧穿氧化和钝化工艺研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(1): 133-138.
[5]	黄渠, 姜洪喜, 周波. CaLa₂(WO₄)₄∶Eu³⁺,Sm³⁺新型白光LED用红色荧光粉的发光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(1): 69-76.
[6]	江晓雪, 宋飞, 胡广宇, 许锦铧, 李翠芹. 锂盐添加剂和成膜添加剂对锂电池低温电化学性能的影响[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(1): 146-157.
[7]	孙元龙, 胡子钰, 郑国宗. 大尺寸CH₃NH₃PbBr₃晶体生长和光电性能表征[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(8): 1313-1318.
[8]	蔡晓佳, 黄家健, 孙丹丹, 梁嘉盈, 唐秀凤, 张炯. 基底温度对磁控溅射制备NiO_x薄膜综合电致变色性能的影响[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(8): 1453-1463.
[9]	陈鑫鑫, 韩佳力, 潘建国. 大尺寸高质量CsCu₂I₃晶体生长与发光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(7): 1106-1111.
[10]	蒋小康, 高峰, 周恒为. Eu³⁺掺杂Y₂MgTiO₆红色荧光粉的制备及发光性质研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(7): 1170-1176.
[11]	李丽华, 周龙杰, 刘硕, 王航, 黄金亮. SnO₂(110)/FAPbBrI₂(001)界面电子结构与光学性质的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(7): 1239-1248.
[12]	丁涛, 李晴雯, 徐玉琦, 钟敏. 硫属钙钛矿BaZrS₃及其制备的研究进展和展望[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(6): 922-929.
[13]	胡正开, 杨伟斌, 熊飞兵, 郭益升, 白鑫, 李明明. Sm³⁺掺杂Na₅Y(MoO₄)_4-y(WO₄)_y高热稳定性荧光粉的制备及发光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(6): 1016-1025.
[14]	王蕾蕾, 尹振华, 张蕴可, 刘磊, 陈名. 适用于太阳能电池的新型无铅四元硫碘化物优异光电性能的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(5): 803-809.
[15]	蔡小勇, 姜洪喜. 红色荧光粉CaWO₄∶Eu³⁺,Bi³⁺的制备和光学性能的研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(5): 833-840.