載流子壽命13.5→27.8 ns、未封裝55天保持98%——生物質衣康酸添加劑兼顧鈍化與穩定

1 背景與問題

隨著物聯網的快速發展，智能家居和工業4.0應用對分布式傳感器的能源需求日益增長。室內光伏技術被視為實現低功耗電子設備自供能的理想方案。然而，傳統的鈣鈦礦太陽能電池在室內弱光環境下面臨著嚴峻挑戰：

1.1 載流子複合嚴重：在低光照條件下，鈣鈦礦晶粒內部的陷阱態成為非輻射複合中心，嚴重限製了電荷分離效率；

1.2 大面積製備難題：為了提供足夠的驅動電壓和功率，器件需要擴展至1 cm² 甚至更大面積，但這往往會導緻薄膜形貌不均勻和缺陷密度增加；

1.3 弱光測試標準缺失：傳統的標準太陽光（AM 1.5G）測試無法準確反映器件在室內光源（如LED，色溫6500K）下的真實性能，亟需建立精確的弱光測試環境。

為了解決上述問題，研究人員引入了衣康酸作為有機添加劑，旨在通過缺陷鈍化提升大面積器件在室內弱光下的光電轉換效率。

2 核心方案

本研究提出了一種基於衣康酸添加劑的界面工程策略，用於製備高性能大面積（1 cm²）鈣鈦礦太陽能電池。

2.1 核心機製：
衣康酸富含羰基（C=O）基團，作為一種路易斯堿，能夠與鈣鈦礦晶格中的未配位鉛離子（Pb²⁺）發生配位作用。這種相互作用不僅抑製了鉛離子引起的缺陷態，還促進了鈣鈦礦晶粒的生長，從而減少了晶界密度，顯著降低了非輻射複合損失。

2.2 器件結構：
研究采用了倒置結構：FTO / P3HT-COOH / MAPbI₃ / PC₆₀BM / PEI / Ag。通過在MAPbI₃ 前驅體溶液中引入0.1 wt % 的衣康酸，實現了對活性層的有效修飾。

2.3 表征手段：
為了驗證添加劑的作用機製，研究團隊綜合運用了多種先進表征技術：

(1) FTIR 與 XPS：證實了IA與鈣鈦礦之間的化學鍵合及電子轉移。

(2) SEM（掃描電鏡）：觀察薄膜形貌，證實IA添加劑使晶粒尺寸從240 nm 增加至 310 nm。

(3) J-V 測試：在不同光照強度下評估器件性能（關鍵測試技術）。

圖1.含生物質添加劑IA的MAPbI3活性層中倒置鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖。

3 實驗結果與分析

3.1 室內弱光性能突破

論文重點測試了器件在6500 K LED 光源下的表現，這是最典型的室內照明光源之一。測試涵蓋了250 lx 至 2000 lx 的照度範圍。

關鍵性能數據：
在1 cm² 的大面積器件上，添加IA的器件表現出卓越的弱光性能。特別是在250 lx 的極低照度下，器件實現了驚人的43.46% 的最高光電轉換效率（PCE），這是目前大面積MAPbI₃ 基鈣鈦礦電池在室內光照下的最高記錄之一。

圖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光照條件下，原始及添加IA的PSC器件的J-V曲線。（b）在AM 1.5G光照下，原始及添加IA器件的效率分布。

3.2 載流子動力學與缺陷分析

為了深入理解效率提升的物理機製，研究進行了深入的物理表征：

(1) SCLC（空間電荷限製電流）測試：
通過暗態下的J-V 特性曲線計算陷阱態密度。結果顯示，IA添加劑將陷阱態密度從3.34 × 10¹⁸ cm⁻³ 降低至2.55 × 10¹⁸ cm⁻³，減少了約23%。

(2) TRPL（時間分辨光緻發光）測試：
測試表明，IA添加後的薄膜載流子壽命顯著延長。慢衰減壽命（τ₂）從13.5 ns 提升至 27.8 ns，證明了非輻射複合的有效抑製。

圖3. (a) 發光光譜，(b)時間分辨發光光譜，(c)采用空間電荷限製電流（SCLC）方法進行的陷阱態密度分析，以及(d)無IA摻雜和IA摻雜PSC器件在暗處的J−V曲線。

(3) EIS（電化學阻抗譜）測試：
Nyquist圖顯示，IA器件的高頻圓弧直徑更大，表明其複合電阻（R_rec）更高，電荷複合概率更低。

圖4. (a) 低強度光照（55–685 μW/cm²）下JSC隨光強的變化；(b)高強度光照（20–100 mW/cm²）下VOC隨光強的變化；(c)低強度光照下VOC的變化；(d)原器件與IA處理器件的奈奎斯特圖，圖中插入了等效電路模型。

3.3 穩定性驗證

在未封裝的情況下，IA增強型器件在25°C、50% 相對濕度（RH） 的環境中放置 55天 後，仍保持了 98%的初始效率，顯示出優異的環境穩定性。

4 產品介紹

Sunshine M

室內光伏電池測試系統

Sunshine M是一款室內弱光模擬與光伏效率測試平台，用於測量太陽能電池在50-2000 lux及不同色溫照明下的轉換性能。系統主要用於建立可重複的室內光伏測試條件。適用於物聯網傳感器、低功耗終端、室內鈣鈦礦與有機光伏器件研發。室內光伏正在服務無線傳感器、電子標簽、可穿戴設備和低功耗IoT節點，但弱光強度、色溫、光譜和漫反射條件會顯著影響測量結果。Sunshine M提供可調照度與色溫，適合建立可重複的室內光伏性能基準。

4.1 技術特點

(1) 提供大面積弱光模擬照射，光強調節範圍50-2000 lux，覆蓋典型室內照明條件；

(2) 形成2700 K、4000 K、6500 K等可複現室內光譜，照度與功率密度同時溯源，照明均勻性達到±2%級，並參照IEC TS 62607-7-2等方法，用於模擬不同室內燈具和應用環境；

(3) 出廠標定波長範圍350-1050 nm，兼顧光源定標與器件光譜響應；

(4) 弱光轉換效率軟件可計算Voc、Jsc、FF、效率、串並聯電阻等關鍵參數；

(5) 照度、色溫、光譜標定和弱光電學參數共同記錄，便於比較不同室內光源下的器件表現。

4.2 產品優勢

(1) 照度、色溫、光譜標定和電學測量一體化，可建立比普通照明燈加源表更可重複的室內光伏測量條件；

(2) 完整輸出Voc、Jsc、FF、效率及電阻參數，便於比較不同材料體系和室內光源下的性能優勢；

(3) 針對室內光伏的照度、色溫和弱光測試設計，避免用1 sun設備外推室內性能造成的測量偏差。

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