基于光电薄膜材料QFLS分裂mapping与pseudo-JV表征技术，实现对新型SAM界面钝化材料的快速筛选与性能预测

2025-11-04 14:45:26 光焱科技股份有限公司

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QFLS技术：SAM材料筛选的新方法

自组装单分子层（SAM）在钙钛矿太阳能电池界面工程中扮演关键角色，透过调控功函数、促进载流子提取并钝化缺陷，直接影响器件的开路电压（VOC）和稳定性。然而，传统研发流程需制备完整器件并进行电流-电压（J-V）测量，不仅耗时，器件制备过程的额外损耗也会掩盖SAM材料的真实光电潜力。

准费米能级分裂（QFLS）技术提供了新的解决方案。QFLS代表导带电子准费米能级与价带空穴准费米能级间的能量差，直接反映光生载流子的化学势能，是器件理论最大VOC的上限（VOC ≤ Δμ/q）。透过QFLS测量，研究者可在器件封装前快速量化材料的非辐射复合损失，实现SAM界面钝化材料的高效筛选与性能预测。

案例一：异构二胺钝化策略及其QFLS匹配度分析

苏州大学李永舫与University of Potsdam Felix Lang教授团队在Nature中报导了"Isomeric diammonium passivation for perovskite–organic tandem solar cells"，提出了一种利用异构二铵钝化剂cyclohexane 1,4-diammonium diiodide (CyDAI2)来解决此问题的策略。CyDAI2自然包含两种异构体：cis-CyDAI2和trans-CyDAI2。研究团队将这两种SAM分子应用于1.88 eV WBG钙钛矿太阳能电池的钝化。

该研究的SAM钝化剂为CyDAI2异构体，用于钝化钙钛矿/C60界面。研究结果显示，未经钝化的钙钛矿薄膜在添加C60层后，QFLS值显著降低至1.305 eV，这表明C60界面存在严重的非辐射复合，是VOC损失的主要因素。（表S4、图2c）

当在钙钛矿与C60之间插入cis-CyDAI2钝化层后，界面复合被有效抑制，QFLS值显著提升至1.360 eV。更引人注目的是，只有经过cis-CyDAI2处理的器件，其QFLS与器件实际测得的VOC值（1.36 V）实现了高度匹配（几乎没有QFLS-VOC失配）。相比之下，对照组和trans-CyDAI2处理组都存在明显的QFLS-VOC失配。（表S6、图2g）

透过Pseudo J-V分析，该团队进一步证实了这一结果。Pseudo J-V曲线得到的伪填充因子（pFF）可用于评估材料的理想极限填充因子（图2h.i）：

对照组：实际填充因子75.1%，伪填充因子87.3%，存在显著失配
cis-CyDAI2处理组：实际填充因子85.4%，伪填充因子87.5%，几乎消除失配

该对比明确指出，对照组的性能瓶颈主要源于电荷提取和传输层的非理想特性。而cis-CyDAI2钝化不仅提升了QFLS，更重要的是，透过消除界面缺陷，优化了电荷传输/提取，使得器件的FF几乎达到了其理论极限pFF。

案例二：QFLS Mapping与离子头基团SAM的精确筛选与对比

沙特阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST) 的Stefaan De Wolf教授团队在Advanced Energy Materials中报导了"Efficient Narrow Bandgap Pb‐Sn Perovskite Solar Cells Through Self‐Assembled Hole Transport Layer with Ionic Head"，提出了一种新型的咔唑基SAM：BrNH3-4PACz。

该分子旨在实现双重功能：首先，SAM骨架上的咔唑基团和磷酸基团提供了合适的偶极矩，以优化ITO电极的功函数，实现有效的空穴提取；其次，其引入的离子铵头基团（NH3+ Br-）能够对HTL/钙钛矿埋藏界面进行钝化。（图4e.f）

透过对不同ITO/SAM/NBG钙钛矿半器件堆栈结构进行绝对PL成像测量，研究团队计算了QFLS。结果表明，BrNH3-4PACz相比于其他SAMs（如2PACz或MeO-2PACz），在QFLS上实现了超过60 mV的显著增强。（图3d-g）

该发现与器件性能的提升高度一致，并证明了BrNH3-4PACz双重功能的有效性：阳离子部分负责ITO界面能级调控，而阴离子部分（Br-）负责钝化HTL/钙钛矿埋藏界面上的缺陷。QFLS Mapping直观地展示了这种QFLS的增强和分布的改善，这体现了QFLS Mapping在新型材料筛选中的核心价值。（图2e.g）

案例三：溴代SAMs对VOC潜力的提升

新加坡国立大学侯毅教授团队在Energy & Environmental Science中报导了"Surpassing 90% Shockley-Queisser VOC Limit in 1.79 eV Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells Using Bromine-Substituted Self-Assembled Monolayers"，透过溴原子取代策略优化SAM分子的终端基团，以增强其与钙钛矿层中未配位Pb2+离子或卤素空位的相互作用。

研究对比了三种咔唑基SAM：DCB-C4POH（对照组）、DCB-Br-1和DCB-Br-2。DCB-Br-2引入的溴原子能捐献非键合电子对，从而增强与钙钛矿层的相互作用并抑制界面非辐射复合。（图1）

针对1.79 eV WBG钙钛矿，研究团队利用强度依赖的PLQY测量数据，计算并推导出了Pseudo-JV参数。这种方法能够快速预判不同SAM材料在消除内部非辐射损失和传导限制方面的潜力：

DCB-C4POH：Pseudo VOC为1.369 V，Pseudo FF为87.8%
DCB-Br-2：Pseudo VOC为1.397 V，Pseudo FF为88.8%

数据显示，DCB-Br-2在潜在VOC上实现了显著的28 mV提升，同时pFF也略有提高。这表明DCB-Br-2在半器件阶段就展现出更优异的缺陷钝化能力，能最大限度地提高VOC潜力。最终，基于DCB-Br-2的器件获得了1.37 V的最大VOC，验证了Pseudo-JV预测的准确性。（图3）

QFLS-Maper对SAM筛选的加速作用

分层量测与定量分析：QFLS-Maper可以对薄膜、半叠层（Perovskite/SAM或Perovskite/ETL）以及全叠层进行逐层测试。透过比较「钙钛矿/SAM」半叠层相对于「裸钙钛矿」薄膜的QFLS提升幅度，即可定量评估该SAM材料对埋藏界面的钝化效果。

可视化与均匀性评估：传统的PL或QFLS测量通常是单点或平均值测量，无法反映薄膜在宏观尺度上的均匀性，QFLS Mapping技术将界面钝化效果「可视化」，这对于SAM特别重要。QFLS影像能够透过快速成像获得整个样品区域的QFLS分布情况，使研究者能直观比较不同SAM处理后，界面质量的中心值提升与分布宽度变化。

Pseudo J-V预测材料潜力：透过QFLS衍生出的Pseudo J-V曲线，在材料阶段即可预测其理论效率极限。专业设备透过实现超高动态范围的光强调变（最低可达10⁻⁴ sun，横跨6个数量级的PLQY灵敏度），确保拟合出的Pseudo J-V曲线在低光强和高光强区域均拥有足够的点位和极佳的平滑度，从而保障预测结果的准确性和可信度。

透过定量分析非辐射复合损失和可视化界面均匀性，该方法学有效地解决了传统光伏研发中「无需完成器件即可筛选材料」的核心问题，极大加速了高效能、高稳定性光电薄膜材料的开发进程。专业系统凭藉其高速映像、高灵敏度的PLQY测量以及全场成像的优势，正协助研究者们快速建立分子结构与光电性能之间的构效关系，推进光伏技术的持续进步。

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