添加伊塔康酸（Itaconic Acid）的高性能大面积（1平方厘米）钙钛矿太阳能电池，在室内光照条件下可实现43.46%的效率

《ACS Applied Energy Materials》：High-Performance Large-Area (1 cm2) Perovskite Solar Cells with Itaconic Acid Additive Achieving 43.46% Efficiency under Low-Light Conditions for Indoor Applications

钙钛矿太阳能电池（PSCs）通过添加衣康酸（IA）实现低光条件下性能提升与稳定性优化。IA的羧基与Pb2?形成配位键，钝化晶界缺陷态，抑制非辐射复合，使1 cm2大尺寸电池在250 lx LED光照下PCE达43.46%，且未经封装的IA器件在50%湿度下保持98%初始效率达55天。机制研究表明IA促进晶粒生长（平均尺寸310 nm）并降低陷阱态密度23%，同时提升电荷传输效率。该研究为室内物联网设备供电提供了高效、稳定的解决方案。

　　近年来，钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光电性能而受到广泛关注。这些电池的光电转换效率（PCE）在过去十年中显著提升，从最初的3.8%增加到目前的最高记录27.0%。这种快速的技术进步使PSCs成为一种极具潜力的新能源解决方案，尤其是在室内光能收集领域。然而，PSCs在低光条件下的性能仍面临一些挑战，主要与钙钛矿晶粒中的陷阱态有关。这些陷阱态作为复合中心，限制了电荷分离效率，同时，大尺寸PSCs的制造也增加了对均匀薄膜形貌和稳定性的要求。为了克服这些障碍，研究人员提出了一种新的策略，即通过引入有机添加剂来钝化钙钛矿层中的缺陷，从而提升电池在低光条件下的性能。

在众多可能的添加剂中，异柠檬酸（IA）因其环境友好、低成本以及其作为路易斯碱的特性而被选为一种有效的解决方案。IA富含羧基（C═O），这些基团可以与钙钛矿中的铅离子（Pb²⁺）发生协调作用，从而改善晶格结构，促进晶粒生长，减少晶界密度，并有效钝化铅离子诱导的缺陷。这些效果显著降低了非辐射复合路径，提高了电荷传输效率。实验结果显示，加入IA的钙钛矿太阳能电池在标准AM 1.5G光照条件下，其最大PCE达到了22.13%，而在模拟的6500 K LED光源下，其在250 lx的低光照条件下实现了高达43.46%的PCE，这是目前在室内光条件下记录的最高效率之一。此外，未经封装的IA增强型PSCs在50%相对湿度和25 °C的环境下，能够在55天内保持超过98%的初始效率，表明其具有良好的环境稳定性。

为了进一步理解IA对钙钛矿薄膜结构和性能的影响，研究团队通过多种表征手段进行了系统分析。首先，采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了IA与钙钛矿组分之间的相互作用。结果显示，IA中的羧基与钙钛矿中的铅离子之间存在强烈的协调作用，导致C═O键的拉伸振动波数发生偏移。这一现象表明，IA能够有效地改变钙钛矿的电子结构，从而优化其光电性能。此外，X射线光电子能谱（XPS）进一步证实了这种协调作用，IA的加入导致铅的结合能降低，碘的结合能也相应减少，这些变化与铅-碘键的延长有关，表明IA能够改善钙钛矿的结构稳定性。

扫描电子显微镜（SEM）分析则揭示了IA对钙钛矿薄膜形貌的影响。结果表明，加入IA的钙钛矿薄膜显示出更大的晶粒尺寸，平均晶粒大小从240 nm增加至310 nm。这种晶粒尺寸的增加有助于减少晶界处的电荷复合，从而提升电荷传输效率。此外，IA的引入还减少了薄膜中的缺陷密度，这在电致发光（PL）和时间分辨电致发光（TRPL）测量中得到了验证。IA增强的钙钛矿薄膜表现出更长的载流子寿命，这表明其能够有效抑制非辐射复合，提高电池的光电转换效率。

为了进一步探讨IA对载流子复合机制的影响，研究团队对PSCs的短路电流密度（J_SC）和开路电压（V_OC）随光照强度的变化进行了分析。结果显示，在低光条件下，IA增强型PSCs的_SC电流密度显著提高，而_OC电压也有所增加。这些变化表明，IA能够有效抑制双分子复合，提高载流子的收集效率。此外，通过拟合_OC与光照强度之间的关系，研究团队发现IA的加入显著降低了设备的非理想因子（n），表明其对陷阱辅助复合的抑制作用。

电化学阻抗谱（EIS）分析进一步揭示了IA对电荷复合行为的影响。EIS测量显示，IA增强型PSCs的高频率半圆直径更大，表明其具有更高的复合电阻（R_rec），这与更低的电荷复合速率相对应。这一发现与TRPL测量结果一致，进一步证明了IA在抑制非辐射复合方面的有效性。此外，通过研究不同光照强度下的性能变化，研究团队发现IA增强型PSCs在低光条件下表现出更优的性能，其平均PCE在250 lx的LED光照下达到了40.73%，远高于未添加IA的设备。

为了评估IA增强型PSCs在实际应用中的稳定性，研究团队在模拟的室内环境条件下进行了湿度和热稳定性测试。结果显示，未封装的IA增强型PSCs在50%相对湿度和25 °C的环境下，能够在55天内保持超过98%的初始PCE，远高于未添加IA的设备（仅保留75%）。这表明IA的加入显著提升了设备在潮湿环境中的耐受能力。此外，在85 °C的氮气气氛中进行的热稳定性测试也显示，IA增强型PSCs在260小时内仍能保持超过90%的初始效率，而未添加IA的设备则降至55%。这些结果表明，IA不仅能够提升PSCs的光电性能，还能够显著增强其在实际应用中的环境适应能力。

除了性能提升，IA的加入还展现出成本效益和环境友好性。作为一种生物质来源的有机添加剂，IA不仅价格低廉，而且其合成和应用过程对环境的影响较小，符合当前绿色能源技术的发展趋势。此外，IA的引入并未改变钙钛矿层的制备工艺参数，这意味着其可以方便地集成到现有的生产流程中，为实现大规模生产和商业化应用提供了可能性。

综上所述，这项研究展示了异柠檬酸（IA）作为钙钛矿太阳能电池的一种高效添加剂的潜力。通过协调钙钛矿中的铅离子，IA不仅改善了薄膜的结构和形貌，还显著提升了电池在低光条件下的光电性能和环境稳定性。这些成果为PSCs在室内照明和低功耗物联网（IoT）系统中的应用提供了重要的理论和技术支持，也为未来高效、稳定和可扩展的钙钛矿太阳能电池技术的发展指明了方向。