载流子寿命13.5→27.8 ns、未封装55天保持98%——生物质衣康酸添加剂兼顾钝化与稳定

1 背景与问题

随着物联网的快速发展，智能家居和工业4.0应用对分布式传感器的能源需求日益增长。室内光伏技术被视为实现低功耗电子设备自供能的理想方案。然而，传统的钙钛矿太阳能电池在室内弱光环境下面临着严峻挑战：

1.1 载流子复合严重：在低光照条件下，钙钛矿晶粒内部的陷阱态成为非辐射复合中心，严重限制了电荷分离效率；

1.2 大面积制备难题：为了提供足够的驱动电压和功率，器件需要扩展至1 cm² 甚至更大面积，但这往往会导致薄膜形貌不均匀和缺陷密度增加；

1.3 弱光测试标准缺失：传统的标准太阳光（AM 1.5G）测试无法准确反映器件在室内光源（如LED，色温6500K）下的真实性能，亟需建立精确的弱光测试环境。

为了解决上述问题，研究人员引入了衣康酸作为有机添加剂，旨在通过缺陷钝化提升大面积器件在室内弱光下的光电转换效率。

2 核心方案

本研究提出了一种基于衣康酸添加剂的界面工程策略，用于制备高性能大面积（1 cm²）钙钛矿太阳能电池。

2.1 核心机制：
衣康酸富含羰基（C=O）基团，作为一种路易斯碱，能够与钙钛矿晶格中的未配位铅离子（Pb²⁺）发生配位作用。这种相互作用不仅抑制了铅离子引起的缺陷态，还促进了钙钛矿晶粒的生长，从而减少了晶界密度，显著降低了非辐射复合损失。

2.2 器件结构：
研究采用了倒置结构：FTO / P3HT-COOH / MAPbI₃ / PC₆₀BM / PEI / Ag。通过在MAPbI₃ 前驱体溶液中引入0.1 wt % 的衣康酸，实现了对活性层的有效修饰。

2.3 表征手段：
为了验证添加剂的作用机制，研究团队综合运用了多种先进表征技术：

(1) FTIR 与 XPS：证实了IA与钙钛矿之间的化学键合及电子转移。

(2) SEM（扫描电镜）：观察薄膜形貌，证实IA添加剂使晶粒尺寸从240 nm 增加至 310 nm。

(3) J-V 测试：在不同光照强度下评估器件性能（关键测试技术）。

图1.含生物质添加剂IA的MAPbI3活性层中倒置钙钛矿太阳能电池结构示意图。

3 实验结果与分析

3.1 室内弱光性能突破

论文重点测试了器件在6500 K LED 光源下的表现，这是最典型的室內照明光源之一。测试涵盖了250 lx 至 2000 lx 的照度范围。

关键性能数据：
在1 cm² 的大面积器件上，添加IA的器件表现出卓越的弱光性能。特别是在250 lx 的极低照度下，器件实现了惊人的43.46% 的最高光电转换效率（PCE），这是目前大面积MAPbI₃ 基钙钛矿电池在室內光照下的最高记录之一。

图2.在（a）AM 1.5G光照和（c）2000 lx、（d）1000 lx、（e）500 lx、（f）250 lx的6500 K LED光照条件下，原始及添加IA的PSC器件的J-V曲线。（b）在AM 1.5G光照下，原始及添加IA器件的效率分布。

3.2 载流子动力学与缺陷分析

为了深入理解效率提升的物理机制，研究进行了深入的物理表征：

(1) SCLC（空间电荷限制电流）测试：
通过暗态下的J-V 特性曲线计算陷阱态密度。结果显示，IA添加剂将陷阱态密度从3.34 × 10¹⁸ cm⁻³ 降低至2.55 × 10¹⁸ cm⁻³，减少了约23%。

(2) TRPL（时间分辨光致发光）测试：
测试表明，IA添加后的薄膜载流子寿命显著延长。慢衰减寿命（τ₂）从13.5 ns 提升至 27.8 ns，证明了非辐射复合的有效抑制。

图3. (a) 发光光谱，(b)时间分辨发光光谱，(c)采用空间电荷限制电流（SCLC）方法进行的陷阱态密度分析，以及(d)无IA掺杂和IA掺杂PSC器件在暗处的J−V曲线。

(3) EIS（电化学阻抗谱）测试：
Nyquist图显示，IA器件的高频圆弧直径更大，表明其复合电阻（R_rec）更高，电荷复合概率更低。

图4. (a) 低强度光照（55–685 μW/cm²）下JSC随光强的变化；(b)高强度光照（20–100 mW/cm²）下VOC随光强的变化；(c)低强度光照下VOC的变化；(d)原器件与IA处理器件的奈奎斯特图，图中插入了等效电路模型。

3.3 稳定性验证

在未封装的情况下，IA增强型器件在25°C、50% 相对湿度（RH） 的环境中放置 55天 后，仍保持了 98%的初始效率，显示出优异的环境稳定性。

4 产品介绍

Sunshine M

室内光伏电池测试系统

Sunshine M是一款室内弱光模拟与光伏效率测试平台，用于测量太阳能电池在50-2000 lux及不同色温照明下的转换性能。系统主要用于建立可重复的室内光伏测试条件。适用于物联网传感器、低功耗终端、室内钙钛矿与有机光伏器件研发。室内光伏正在服务无线传感器、电子标签、可穿戴设备和低功耗IoT节点，但弱光强度、色温、光谱和漫反射条件会显著影响测量结果。Sunshine M提供可调照度与色温，适合建立可重复的室内光伏性能基准。

4.1 技术特点

(1) 提供大面积弱光模拟照射，光强调节范围50-2000 lux，覆盖典型室内照明条件；

(2) 形成2700 K、4000 K、6500 K等可复现室内光谱，照度与功率密度同时溯源，照明均匀性达到±2%级，并参照IEC TS 62607-7-2等方法，用于模拟不同室内灯具和应用环境；

(3) 出厂标定波长范围350-1050 nm，兼顾光源定标与器件光谱响应；

(4) 弱光转换效率软件可计算Voc、Jsc、FF、效率、串并联电阻等关键参数；

(5) 照度、色温、光谱标定和弱光电学参数共同记录，便于比较不同室内光源下的器件表现。

4.2 产品优势

(1) 照度、色温、光谱标定和电学测量一体化，可建立比普通照明灯加源表更可重复的室内光伏测量条件；

(2) 完整输出Voc、Jsc、FF、效率及电阻参数，便于比较不同材料体系和室内光源下的性能优势；

(3) 针对室内光伏的照度、色温和弱光测试设计，避免用1 sun设备外推室内性能造成的测量偏差。

原文参考：High-Performance Large-Area (1 cm²) Perovskite Solar Cells with Itaconic Acid Additive Achieving 43.46% Efficiency under Low-Light Conditions for Indoor Applications