有机磷酸酯修饰FA0.8MA0.15Cs0.05Pb(I0.76Br0.24)3钙钛矿太阳能电池及其性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0245

摘要/Abstract

摘要： 宽带隙钙钛矿太阳能电池的发展受限于其薄膜中较高的缺陷密度和严重的非辐射复合。本研究提出采用4-甲氧苯基磷酸二乙酯（DM）作为多功能添加剂以解决上述问题。DM分子中的P＝O基团可与未配位的Pb²⁺形成稳定的配位键，有效钝化缺陷；同时，其甲氧基通过给电子效应调节局部电荷分布，协同优化结晶过程。此外，DM分子间的苯环π-π堆叠作用有助于增强薄膜疏水性，从而提升环境稳定性。基于DM修饰的宽带隙钙钛矿太阳能电池实现了22.08%的光电转换效率（PCE）。相比之下，未添加DM的对照器件的PCE仅为18.89%。此外，DM的修饰使器件的开路电压（V_oc）从1.082 V提升到1.127 V，短路电流密度（J_sc）从22.33 mA·cm^-2增至23.78 mA·cm^-2，填充因子（FF）从78.17%提高到82.39%。未封装DM修饰器件在25 ℃、10%~40%相对湿度环境中存放30 d后，仍能保持初始效率的91.2%，显著优于对照器件（85.3%）。这些结果有力印证DM作为功能添加剂在制备高质量钙钛矿薄膜和实现高性能器件方面的巨大潜力，为其后续的实用化推进提供了实验与理论基础。

关键词: 宽带隙钙钛矿电池; 缺陷钝化; 非辐射复合; 添加剂工程; 结晶调控; 稳定性

Abstract: The development of wide-bandgap perovskite solar cells is limited by the high defect density and severe non-radiative recombination within their films. This study proposes the use of 4-methoxyphenyldiethylphosphonate （DM） as a multifunctional additive to mitigate these problems. The P＝O group in the DM molecule can form stable coordination bonds with under-coordinated Pb²⁺， effectively passivating defects. Simultaneously， its methoxy group regulates the local charge distribution through an electron-donating effect， thereby synergistically optimizing the crystallization process. Furthermore， the π-π stacking interactions between the benzene rings of DM molecules enhance the film's hydrophobicity， thereby improving environmental stability. The DM-modified wide-bandgap perovskite solar cell achieve a power conversion efficiency （PCE） of 22.08%. In contrast， the PCE of the control device without DM is only 18.89%. Furthermore， DM modification increase the open-circuit voltage （V_oc） from 1.082 V to 1.127 V， the short-circuit current density （J_sc） from 22.33 mA·cm^-2 to 23.78 mA·cm^-2， and the fill factor （FF） from 78.17% to 82.39%. The unencapsulated DM-modified device retained 91.2% of its initial efficiency after 30 d of storage at 25 ℃ and 10%~40% relative humidity， significantly outperforming the control device（85.3%）. These results strongly demonstrate the significant potential of DM as a functional additive for fabricating high-quality perovskite films and realizing high-performance devices， laying both experimental and theoretical foundations for its subsequent practical application.

Key words: wide-bandgap perovskite solar cell; defect passivation; non-radiative recombination; additive engineering; crystallization modulation; stability

中图分类号:

TM914.4⁺2

加雪峰, 叶林峰, 阮妙, 史晨宇, 王智超, 倪玉凤, 郭永刚, 高鹏. 有机磷酸酯修饰FA_0.8MA_0.15Cs_0.05Pb(I_0.76Br_0.24)₃钙钛矿太阳能电池及其性能研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(5): 753-762.

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图/表 9

图1 钙钛矿薄膜的SEM照片和晶粒尺寸统计。（a）未添加DM的SEM照片；（b）添加DM的SEM照片；（c）未添加DM的晶粒尺寸统计；（d）添加DM的晶粒尺寸统计

Fig.1 SEM images and grain size statistics of perovskite films. （a） SEM image without DM；（b） SEM image with DM；（c） grain size statistics without DM；（d） grain size statistics with DM

图2 钙钛矿薄膜的AFM照片。（a）未添加DM的二维形貌；（b）未添加DM的三维形貌；（c）添加DM的二维形貌；（d）添加DM的三维形貌

Fig.2 AFM images of perovskite films. （a） 2D topography without DM；（b） 3D topography without DM；（c） 2D topography with DM；（d） 3D topography with DM

图3 未添加和添加DM的钙钛矿薄膜的XRD分析。（a）XRD图谱；（b）（100）晶面FWHM对比

Fig.3 XRD analysis of perovskite films without and with DM addition. （a） XRD patterns；（b） comparison of FWHM for （100） plane

图4 未添加DM与添加DM的钙钛矿薄膜的FT-IR光谱和XPS

Fig.4 FT-IR spectra and XPS of perovskite films without and with DM addition

图5 未添加DM与添加DM钙钛矿薄膜的光电性能表征。（a）UV-Vis吸收光谱；（b）对应的Tauc图；（c）PL光谱；（d）TRPL光谱；（e）UPS能谱（左图：价带区域，右图：费米能级区域）；（f）能级结构示意图

Fig.5 Photoelectric properties of perovskite films without and with DM addition. （a） UV-Vis absorption spectra；（b） corresponding Tauc-plot；（c） PL spectra；（d） TRPL spectra；（e） UPS energy spectra （left： valence band region， right： Fermi level region）；（f） schematic diagram of the energy level structure

表1 TRPL拟合参数

Table 1 TRPL fitting parameters

Group	A₁	τ₁/ns	A₂	τ₂/ns
Control group	0.72	9.5	0.12	8.7
DM-modified group	0.71	19.6	0.27	12.82

图6 钙钛矿太阳能电池的光电性能。（a）器件结构示意图；（b）最佳J-V正反扫曲线；（c）EQE图谱及积分电流曲线；（d）最大功率点下的稳态输出

Fig.6 Photovoltaic performance of perovskite solar cells. （a） Device structure diagram；（b） optimalJ-V curves for forward and reverse scans；（c） EQE spectra and integratedJsc curves；（d） steady-state output at maximum power point

图7 Mott-Schottky图

Fig.7 Mott-Schottky diagram

图8 钙钛矿器件的稳定性表征。（a）湿度稳定性测试；（b）钙钛矿薄膜的水接触角测试

Fig.8 Stability characterization of perovskite device. （a） Humidity stability test；（b） water contact angle test of perovskite films

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有机磷酸酯修饰FA_0.8MA_0.15Cs_0.05Pb(I_0.76Br_0.24)₃钙钛矿太阳能电池及其性能研究

Organic Phosphonate-Modified FA_0.8MA_0.15Cs_0.05Pb(I_0.76Br_0.24)₃ Perovskite Solar Cells and Their Performance

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