基于卓立汉光DSR600光电探测器光谱响应度标定系统的高效钙钛矿电池性能研究

导言

在当今全球能源转型与可持续发展的大背景下，太阳能作为一种清洁且取之不尽的能源，其高效转化与利用技术一直是科研领域的热点。钙钛矿太阳能电池（PSCs）自2009年首次被报道以来，凭借其卓越的光电转换效率（PCE）、可调带隙、高色散性、适合大面积生产的溶液加工性以及成本效益等显著优势，迅速成为光伏领域的研究前沿。然而，要进一步推动钙钛矿太阳能电池的商业化进程，仍需解决一系列关键科学问题，其中制备高质量钙钛矿薄膜是一个至关重要的环节。

在过去的研究中，尽管科学家们已经通过多种方法如成分工程、界面工程、后处理等手段取得了一定的进展，但在制备同时满足上述理想特性的钙钛矿薄膜方面，依然存在诸多挑战。例如，传统的制备方法往往需要较高的退火温度来促进晶体生长，这可能导致钙钛矿材料的部分分解或电荷传输层的形变，进而引入结构缺陷。又如，在混合阳离子体系中，由于不同阳离子的结晶速率不一致，容易导致阳离子分布不均匀，这不仅会影响钙钛矿薄膜的光电性能，还可能在钙钛矿与电荷传输层的界面处积累特定阳离子，从而阻碍电荷收集，降低器件效率。

鉴于此，开发新型的制备策略和添加剂，以精细调控钙钛矿薄膜的结晶过程、优化其微观结构和光电性能，成为了当前研究的焦点之一。本篇文章介绍的研究成果，正是回应了这一挑战，通过引入氰基乙烯基磷酸酸（CPA）分子添加剂，为制备高效稳定钙钛矿太阳能电池提供了一条创新且高效的路径。

分享一篇来自华东理工大学吴永真团队的新研究成果，本文以“Cyanovinyl Phosphonic Acid Based Molecular Additives for Highly Efficient and Stable Formamidinium-Cesium Lead Iodide Perovskite Solar Cells”为题发表于《Small》期刊。希望对您的科学研究或工业生产带来一些灵感和启发。

正文

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其独特的光电特性在可再生能源领域展现出巨大潜力。然而，目前制备高质量钙钛矿薄膜仍面临诸多挑战。本研究中发现，氰基乙烯基磷酸酸（CPA）分子添加剂能够显著改善钙钛矿薄膜的晶体质量、载流子传输性能和环境稳定性，为实现高效稳定的PSCs提供了新思路。

钙钛矿太阳能电池的光电转换效率在短短十几年间取得了飞速发展，从*初的不到4%一路飙升至如今超过26%的实验室效率，这一惊人的进步速度使其成为光伏领域的明星材料。然而，实验室中的高效率只是一个方面，要实现钙钛矿太阳能电池的大规模商业化应用，还需要解决器件稳定性这一关键瓶颈。钙钛矿材料对环境因素如水分、氧气、光照和温度较为敏感，长期暴露会导致其晶体结构退化、相变以及化学分解，进而使器件性能迅速衰减。此外，钙钛矿薄膜内部的缺陷态以及界面处的非辐射复合中心也是制约器件效率和稳定性的关键因素。

为了克服上述难题，研究者们提出了多种策略。其中，分子添加剂作为一种有效的手段，已被广泛用于调控钙钛矿薄膜的结晶过程、优化薄膜的微观结构和光电性能。理想的分子添加剂应当能够与钙钛矿前驱体物种发生强相互作用，在原子水平上调控晶体的生长和缺陷的形成。在这项研究中，研究团队选择了两种含有磷酸酸基团的分子添加剂Ph-PA和Ph-CPA，它们不仅具有与铅卤化物（PbI2）、甲酰胺碘化物（FAI）和铯碘化物（CsI）等钙钛矿前驱体物种强相互作用的能力，而且其独特的分子结构使其能够在钙钛矿薄膜中发挥多重功能。

Ph-CPA分子中的氰基（─C≡N）和磷酸酸基团（─PO3H）协同作用，不仅增强了与前驱体物种的配位能力，还通过氢键和静电相互作用影响钙钛矿薄膜的结晶动力学和热力学。实验结果显示，Ph-CPA的加入显著降低了钙钛矿薄膜的结晶温度，从传统的150°C降低至100°C，这对于减少高温退火带来的结构缺陷和界面损伤具有重要意义。同时，Ph-CPA分子能够在钙钛矿晶体表面形成有效的缺陷态钝化层，减少非辐射复合中心，提高载流子迁移率和扩散长度。此外，Ph-CPA分子还能够促进钙钛矿薄膜中阳离子的均匀分布，避免了因阳离子分层导致的内建电场不均匀和电荷收集效率低下等问题。

结果与讨论

分子添加剂对钙钛矿薄膜结晶行为的影响

研究团队合成了两种含有磷酸酸基团的分子添加剂（Ph-PA和Ph-CPA），并将其引入FA0.95Cs0.05PbI3钙钛矿前驱体溶液中。通过原位光致发光（PL）光谱和同步辐射掠入射广角X射线散射（GIWAXS）技术对钙钛矿薄膜的形成过程进行监测，结果表明，Ph-CPA分子添加剂能显著降低钙钛矿薄膜的结晶温度，促进晶体生长和相转变，使钙钛矿薄膜具有更均匀的离子分布和更少的缺陷。

图1 FA0.95Cs0.05PbI3薄膜的形貌和结晶性。（a）对照组和（b）添加 Ph-CPA 的钙钛矿薄膜的俯视扫描电子显微镜（SEM）图像（标尺为 1 微米）。（c）对照组和（d）添加 Ph-CPA 的钙钛矿薄膜的掠入射广角 X 射线散射（GIWAXS）图样。（e）对照组和（f）添加 Ph-CPA 的钙钛矿薄膜的表面电势分布（标尺为 500 纳米）。CPD代表接触电位差。

分子添加剂对钙钛矿薄膜形貌和光电性能的提升

扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）测试结果显示，添加Ph-CPA的钙钛矿薄膜具有更大的晶粒尺寸和更光滑的表面形貌。紫外光电子能谱（UPS）和开尔文探针力显微镜（KPFM）测量表明，Ph-CPA处理后的钙钛矿薄膜具有更优的电子性质和接触势垒，有助于提高电子收集效率和减少界面电荷积累。

图1 FA-Cs分布与光电特性：（a）有无掺入 Ph-CPA 的 FA0.95Cs0.05PbI 钙钛矿薄膜中阳离子的分布情况，样品结构为玻璃 /  ITO/FA0.95Cs0.05PbI。（b）对照组和（c）添加 Ph-CPA 的钙钛矿薄膜从空气侧和玻璃侧测得的光致发光（PL）光谱。（d）共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）成像图（标尺为 50 微米）。（e）时间分辨光致发光（TRPL）衰减光谱以及（f）对照组和添加 Ph-CPA 的钙钛矿薄膜的光致发光量子产率（PLQY）。

分子添加剂对太阳能电池性能的优化

基于Ph-CPA添加剂的钙钛矿太阳能电池实现了显著提升的光电转换效率（PCE）。优化后的器件PCE达到26.25%，同时展现出优异的稳定性和较高的填充因子（FF）。此外，研究还发现Ph-CPA添加剂的引入显著延长了器件的使用寿命（T90）。

图2 基于FA0.95Cs0.05PbI的钙钛矿太阳能电池（PSC）的光伏性能。（a）有无添加Ph-CPA的16个独立器件（孔径面积：0.08平方厘米）的器件性能参数值（VOC、JSC、FF和PCE）。（b）有无添加Ph-CPA的*佳性能器件在反向扫描时的J–V曲线。（c）在模拟AM1.5阳光下，有无添加Ph-CPA的器件在接近*大功率点（MPP）偏压下的稳定功率输出。（d）添加Ph-CPA的*佳性能器件的EQE光谱和积分JSC。（e）添加Ph-CPA的*佳性能1.01平方厘米器件在不同扫描方向上的J–V曲线。

本文中使用的光电测试系统是卓立汉光公司的DSR600光电探测器光谱响应度标定系统。DSR600光电探测器光谱响应度标定系统结合了北京卓立汉光仪器有限公司给多家科研单位定制的光谱响应系统的特点和经验，采用国家标准计量方法进行全自动测试，是光电器件、光电转换材料的光谱响应性能研究的必备工具。

结论

本研究通过引入Ph-CPA分子添加剂，成功制备了高效稳定的FA0.95Cs0.05PbI3钙钛矿太阳能电池。该添加剂不仅改善了钙钛矿薄膜的结晶质量、载流子传输效率和环境稳定性，还显著提升了器件的光电转换效率和使用寿命。这一成果为钙钛矿太阳能电池的商业化发展提供了重要的理论依据和技术支持。

通讯作者及其团队介绍

吴永真，华东理工大学教授，研究方向为有机光电材料与器件、分子工程等。其领导的团队在钙钛矿太阳能电池领域取得了多项重要成果，为推动钙钛矿太阳能电池的性能提升和稳定性增强做出了重要贡献。

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本研究采用的是北京卓立汉光仪器有限公司DSR600光电探测器光谱响应度标定系统。如需了解该产品，欢迎咨询。

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