顶刊速报！QFLS精准量化损失：钙钛矿体相、界面及光热稳定性工程 解析高效能与长寿命光伏器件中的非辐射复合抑制机制

点击蓝字 关注我们

准费米能级分裂（Quasi-Fermi Level Splitting, QFLS）作为衡量光伏材料潜在开路电压VOC极限的核心参数，已成为当前高性能太阳能电池研究，特别是钙钛矿太阳能电池领域，用以定量非辐射复合损失的关键表征手段。近期研究的焦点集中于通过精确的材料工程和界面调控，从根本上抑制缺陷态，进而提升QFLS，最终实现高效能和高稳定性的光伏器件。本文针对三项采用先进光电检测技术（包括QFLS分析、PDS、TRPL与原位光谱等）进行精确损失分析的研究成果进行导读，为领域内专家学者梳理最新的技术进展与机理分析。

研究动机与方法

钙钛矿材料中固有的能量无序度会导致严重的载流子非辐射复合，直接限制光伏器件的VOC。研究团队采用苯甲酸铵（AmBz）作为添加剂，利用其在退火过程中原位生成NH3的特性，改变钙钛矿的结晶动力学。NH3气体与钙钛矿形成可逆的液相络合物，延迟了相变，使晶格有更充足的时间有序排列。密度泛函理论计算证实NH3分子上的孤对电子与Pb2+配位，显著提高了铅空位VPb、Pb占I反位PbI和I占Pb反位IPb等缺陷的形成能，从而抑制缺陷产生，增强晶体能量有序度。

核心发现与QFLS表征启发

经AmBz处理后，薄膜的Urbach能量EU由对照组的27.5 meV降低至23.7 meV。QFLS分析结合电致发光量子效率EQEEL和光热偏转光谱PDS提供了精确的定量依据。

非辐射损失定量：EQEEL测量显示，对照组的EQEEL为0.31%（ΔV3 = 149 meV），而AmBz组提高至2.11%（ΔV3 = 99 meV）。非辐射复合损失ΔV3减少了50 mV。

图 3b： 对照组的EQEEL仅为0.31%，对应qΔV₃为149 meV。

图 3g： AmBz处理组的EQEEL显著提高至2.11%，对应qΔV₃降至99 meV。

图2e–g比较了Control组、BA组和AmBz组的PL Mapping光谱。AmBz处理组展现明显更强的PL信号，反映晶体质量提升和缺陷密度降低。原位NH₃生成使晶格排列更有序，抑制非辐射复合路径，提高辐射复合效率。

EU与损失关联：研究进一步利用EU数值，依理论模型计算出体相非辐射VOC损失ΔVOC,non-rad。AmBz组的ΔVOC,non-rad为56.38 meV，相较于对照组的110.71 meV，减少了约54.33 meV。此数值与器件实际VOC提升的52 mV高度吻合。这项工作首次建立了EU与VOC,loss之间的量化连接，并强调主要损失来源于带尾态损失Vtailrad的抑制。

图 3c, d： AmBz组的EU测得为23.7 meV，明显低于对照组的27.5 meV。

最终，冠军器件实现了26.26%的PCE，VOC达到1.182 V。

图4a与图4b：高性能钙钛矿光伏器件的光电性能与滞后特性分析

图4总结了经AmBz处理的钙钛矿太阳能电池（PSCs）在光电性能和长期稳定性上的提升，验证了NH₃原位生成策略、降低能量无序度、并提升准费米能级分裂 (QFLS) 成果的核心数据。

研究动机与方法

宽带隙钙钛矿WBG PSCs在钙钛矿/硅叠层太阳能电池TSCs中，其VOC和FF损失大，主要归因于钙钛矿/C60界面处严重的载流子复合和能级失配。研究团队设计并合成了一种新型多功能笼状二铵氯化物分子DCl，将其嵌入钙钛矿/C60界面。DCl具有刘易斯酸/碱基团，可同时钝化正负表面缺陷，并通过其强分子极性调控界面偶极矩。更关键的是，笼状阳离子诱导形成了具有自发面内取向的纯相准二维钙钛矿，并展现出明显的铁电效应。

核心发现与QFLS表征启发

QFLS测量精确量化了DCl对界面非辐射复合的抑制效果。通过测量光致发光量子产率PLQY计算QFLS：

界面复合量化：裸钙钛矿薄膜的QFLS为1.265 eV。一旦覆盖C60，QFLS急剧降至1.147 eV，损失达118 meV，证实了C60诱发的强烈界面复合。

表面电子学结构分析（图3b）与QFLS结果一致。KPFM测量显示DCl处理使钙钛矿表面费米能级（EF）变浅（功函数降低），在光照下有利于电子准费米能级（Efn）和电洞准费米能级（Efp）产生更大分裂，形成更大的QFLS。DCl诱导的QFLS提升预示了器件潜在VOC损失的降低。

界面修复量化：经DCl处理后，MeO-2PACz/perovskite/DCl/C60堆栈结构的QFLS显著恢复至1.234 eV。这87 meV的提升（相较于C60对照组）直接证明DCl有效抑制了C60引入的非辐射复合。

图2b.c（对照组、DCl处理组PL映射图）

对照组薄膜光致发光分布相对不均匀，发光强度较低。DCl处理后薄膜展现更均匀的荧光分布，伴随更高的荧光强度。

附图23（PL强度直方图）：

DCl处理后的直方图分布集中，整体强度向高值偏移，验证了PL强度的提升。

此外，KPFM测量显示DCl处理使钙钛矿表面功函数从4.03 eV降至3.82 eV，表明表面能级向n型转变，有助于在光照下形成更大的QFLS。铁电效应（经PFM证实）进一步强化了内建电场，促进载流子分离和提取。

将此铁电准二维钙钛矿应用于TOPCon硅基叠层电池中，最终实现了31.1%的PCE（1.0 cm2）。（图4f）

研究动机与方法

光热应力下的碘损失是PSCs长期稳定性的主要障碍。传统分子依赖的凡德瓦尔斯力或氢键较弱，难以有效束缚碘。研究团队提出静电碘调控策略，选用四丁基碘化铵TBAI。理论计算显示，四级胺阳离子通过烷基链数量的精确调控，与三碘阴离子I3-之间形成极强的静电相互作用，结合能ΔEbinding高达-4.5 eV，远高于凡德瓦尔斯相互作用的0.6 eV以下。高pKa值也抑制了阳离子去质子化，增强了碘捕获的稳定性。

核心发现与QFLS表征启发

TBAI策略显著抑制了碘的挥发（热重分析显示I2蒸发温度由50°C提升至>200°C），有效防止了光热老化过程中PbI2形成和Cu电极侵蚀。

QFLS及其辅助分析技术清晰地证实了载流子动力学和内建驱动力的强化：

QFLS与Vbi提升：通过PLQY计算，TBAI处理后的薄膜QFLS由对照组的1.189 eV提升至1.195 eV。Mott–Schottky分析显示内建电位Vbi显著增强，由1.05 V提升至1.17 V。这反映了TBAI促进晶体质量和能级对准，从而强化了载流子提取的内部驱动力。

非辐射复合抑制证据：TRPL显示载流子寿命由169.25 ns延长至213.82 ns。VOC对光强度依赖性的斜率（nkT/q）从对照组的1.68 kT/q降低至目标组的1.15 kT/q，有力左证了非辐射复合的有效抑制。（图3e）

冠军器件实现了26.23%的PCE。更重要的是，在85°C下MPP连续追踪1000 h后，器件仍保持92.5%的初始效率，展现卓越的光热稳定性。（图4a）

损失路径的靶向性：

1. 第一项研究透过原位NH3策略，主要靶向体相中的能量无序度（EU及其动态无序成分EU,D），目的是抑制电子-声子相互作用引起的非辐射复合，这是体相材料质量的根本问题。

2. 第二项研究则专注于钙钛矿/电子选择层界面处的能损，利用DCl的多功能性和铁电效应，解决WBG叠层电池界面复合瓶颈。

3. 第三项研究集中解决长期运行中的化学稳定性问题（碘损失），通过强静电作用稳定晶格，间接改善载流子动力学。

机理验证的定量化：

三项研究均采用QFLS或其相关参数来定量验证其设计的有效性：

1. 第一项研究利用EQEEL/PDS对ΔVOC,non-rad进行分解和定量，将VOC提升精确归因于EU引起的带尾损失抑制。

2. 第二项研究利用PLQY计算QFLS，量化了C60导致的界面损失（118 meV）和DCl修复后QFLS的恢复，提供了界面工程效果的直接电子学证据。

3. 第三项研究利用QFLS、Vbi增强和VOC对光强度斜率的降低，证明了缺陷钝化和内部驱动力的强化，这是实现85°C长期稳定的电子学基础。

这些研究体现了现代光伏研究对于非辐射损失分析的专业与严谨。通过结合QFLS测量（PLQY或EQEEL）、载流子动力学TRPL与缺陷分析SCLC，研究人员能够将宏观的器件性能（VOC提升）精确地映射到微观的物理机制（EU降低、界面复合抑制、Vbi增强），从而确保科研成果的机理清晰和科学严谨。

研究运用EQEEL和PLQY等光电检测技术，量化钙钛矿的非辐射复合损失，实现VOC提升。为支持此类分析工作，可选用QFLS-Maper准费米能级分裂侦测仪。该仪器整合EL-EQE、PLQY、iVOC及Pseudo J-V等多模块功能，能在3秒内提供QFLS可视化影像，帮助观察载流子分布和材料质量（QFLS image），并评估潜在效率极限，可作为钙钛矿优化策略的分析工具。