通过4-甲氧基苯基胺碘化物实现协同缺陷钝化与溶剂萃取，从而制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池

《Micro and Nanostructures》：Synergistic Defect Passivation and Solvent Extraction via 4-Methoxyphenethylammonium Iodide for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells

【字体：大中小】 时间：2026年06月12日 来源：Micro and Nanostructures 3

编辑推荐：

　　王永兵|李浩然|崔维娜|刘金开封大学材料与化学工程学院，中国开封475004摘要在晶界和表面进行缺陷钝化对于高效、稳定的α-FAPbI3钙钛矿太阳能电池（PSCs）至关重要。我们提出了一种抗溶剂工程策略，将4-甲氧基苯基铵碘化物（4-MeOPEAI）引入异丙醇中，以同时钝化表面缺

王永兵|李浩然|崔维娜|刘金

开封大学材料与化学工程学院，中国开封475004

摘要

在晶界和表面进行缺陷钝化对于高效、稳定的α-FAPbI₃钙钛矿太阳能电池（PSCs）至关重要。我们提出了一种抗溶剂工程策略，将4-甲氧基苯基铵碘化物（4-MeOPEAI）引入异丙醇中，以同时钝化表面缺陷并构建一层保护性的有机铵钝化层。在最佳浓度8 mg时，扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）证实薄膜无针孔，最小RMS粗糙度为3.34 nm；飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）深度分析直接表明4-MeOPEA⁺阳离子优先分布在晶界和薄膜表面。X射线光电子能谱（XPS）显示，4-MeOPEA⁺通过其氨基氮和甲氧基氧与未配位的Pb²⁺捕获位点结合，这从I 3d、O 1s和Pb 4f核心能级的负结合能位移中得到证实。稳态光致发光（PL）、时间相关光致发光（TRPL）和电导谱（EIS）共同表明载流子寿命最大化，辐射复合增强。该PSC的功率转换效率达到了24.53%，显著高于对照组（22.08%），且在20个器件中具有高重复性。温度依赖性的PL和两周的XRD稳定性测试证实，在8 mg浓度下α-FAPbI₃相结构保持完整；而过量12 mg的处理反而因有机阳离子积累过多而加速了降解。未封装器件的稳定性测试进一步表明，优化后的8 mg器件在室温存储1000小时后仍保留了约85%的初始PCE。这项工作为提高钙钛矿光伏效率与稳定性提供了一种基于机制的钝化策略。

引言

钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转换效率（PCE）已迅速提升至27.0%，接近单结硅的性能极限[1]，[2]。这一进展主要得益于基于ABX₃钙钛矿结构的三阳离子和混合卤化物组成，其中角共享的BX₆^4?八面体（B = Pb²⁺；X = I^?, Br^?）在A位点容纳有机阳离子（甲基铵，MA⁺；甲酰胺铵，FA+）[3]，[4]，[5]。然而，溶液处理的PSCs的性能仍受到晶界和表面缺陷的严重限制。旋涂过程中的快速成核会产生大量未配位的Pb²⁺位点、卤化物空位（VI）和反位替代（Pb_I, I_Pb）[6]，[7]。这些表面和晶界缺陷主要作为深能级肖克利-里德-霍尔非辐射复合中心，导致开路电压（Voc）损失、J–V滞后以及在光照和湿度条件下的加速降解[8]，[9]。因此，对钙钛矿表面和晶界的缺陷进行钝化对于同时提升效率和稳定性至关重要。

人们已投入大量努力通过添加剂和后处理工程来抑制这些缺陷[10]，[11]，[12]。有机铵卤化物是最广泛研究的钝化剂类别。丁基铵碘化物（BAI）和苯基铵碘化物（PEAI）在钙钛矿表面形成有机铵钝化层，同时钝化未配位的Pb²⁺缺陷并提供防潮屏障；PEAI后处理使器件PCE超过25%[13]，[14]，[15]，[16]。具有空间基团的分子，如4-叔丁基苄基铵碘化物（tBBAI），可抑制晶界聚集并改善薄膜的填充因子和疏水性[17]。除了胺类卤化物外，路易斯碱钝化也得到了广泛应用：茶碱和三苯基膦氧化物（TBPO）通过N和O供体原子与未配位的Pb²⁺强结合，抑制深能级陷阱态，使PCE超过22%[18]。路易斯酸，包括富勒烯衍生物（C60, PC₆₁BM），通过电子接受作用钝化带负电的碘化物缺陷，显著减少滞后和Voc损失[19]，[20]。然而，大多数这些策略仅实现单模式钝化，无法在单次抗溶剂处理步骤中同时针对Pb²⁺空位、卤化物空位和表面疏水性。

在基于苯基铵的钝化剂中，在芳香环的对位引入电子给体甲氧基是一种特别有吸引力但尚未充分探索的改性方法。–OCH₃取代基增强了铵氮上的电子密度，使其与未取代的PEAI相比更有效地与未配位的Pb²⁺结合。同时，甲氧基的醚氧可以通过路易斯碱配位与卤化物空位相互作用，实现单一分子结构中的双功能钝化。此外，将4-MeOPEAI溶解在异丙醇（IPA）中——一种无毒的、与铵碘化物盐兼容的极性溶剂——使其既能作为抗溶剂又能作为钝化剂，在旋涂过程中去除残留的DMF/DMSO，同时在钙钛矿表面沉积一层缺陷钝化层[21]，[22]。尽管这种双功能策略概念上很有吸引力，但关于4-甲氧基苯基铵碘化物（4-MeOPEAI）抗溶剂处理及其浓度依赖性钝化效果的系统研究仍然很少。

在这里，我们报告了一种基于4-MeOPEAI在IPA中的联合抗溶剂和表面钝化策略，将其作为抗溶剂处理应用于α-FAPbI₃钙钛矿薄膜。X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外（FTIR）光谱证实4-MeOPEAI的甲氧基氧和铵氮与未配位的Pb²⁺位点结合并占据卤化物空位，而疏水性烷基链增强了防潮性。结合X射线衍射、扫描电子显微镜、原子力显微镜、飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）、紫外-可见光吸收光谱和光致发光光谱的表征表明，4-MeOPEAI抗溶剂处理提高了结晶度，降低了表面粗糙度，减少了陷阱态密度，并以浓度依赖的方式延长了载流子寿命。优化后的器件（8 mg/mL）实现了24.53%的PCE，Voc = 1.158 V，J_SC = 25.72 mA cm^-2，FF = 82.37%，比未经处理的对照组（22.08%）提高了2.45%。此外，稳定性评估证实更高的4-MeOPEAI浓度显著提高了热稳定性和大气稳定性，证明了这种方法是一种可扩展的、环境友好的高性能钙钛矿光伏抗溶剂处理途径。

章节摘录

化学试剂和材料

本研究中使用的所有化学试剂和材料均来自商业渠道，未经进一步纯化即使用。钙钛矿前驱体成分——甲酰胺铵碘化物（FAI，99%）、甲基铵氯化物（MACl，99.9%）和碘化铅（PbI₂，99.999%）均由友轩科技有限公司提供。钝化剂4-甲氧基苯基铵碘化物（4-MeOPEAI，99.99%）及其溶剂异丙醇（IPA，99.8%）也来自同一供应商。

结晶度和形貌

使用不同浓度4-MeOPEAI在IPA抗溶剂中处理的α-FAPbI₃钙钛矿薄膜的表面形貌通过SEM进行了观察，如图1(a-d)所示。未经4-MeOPEAI处理的原始薄膜（0 mg，图1a）显示出相对均匀的晶粒分布和紧凑的圆形晶粒，高倍率插图证实了清晰的晶界[23]。引入4 mg 4-MeOPEAI后（图1b），表面形貌基本保持

结论

总之，本研究表明，IPA抗溶剂中4-MeOPEAI的浓度对α-FAPbI₃钙钛矿太阳能电池的形貌、化学、光学和光伏性能具有关键影响。SEM和AFM证实8 mg 4-MeOPEAI产生的薄膜最均匀，RMS粗糙度最低为3.34 nm。重要的是，ToF-SIMS深度分析提供了直接的空间分辨证据，表明4-MeOPEA⁺阳离子优先分布在晶界和薄膜表面

CRediT作者贡献声明

崔维娜：方法学、数据整理。李浩然：软件、形式分析。刘金：软件、资源、方法学。王永兵：写作——审稿与编辑、初稿撰写、监督、项目管理、研究

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了河南省工业研究联合基金

联系信箱：

摘要

引言

章节摘录

化学试剂和材料

结晶度和形貌

结论

CRediT作者贡献声明

利益冲突声明

利益冲突声明

致谢

热点排行