速览前沿！基于QFLS的钙钛矿太阳能电池研究动态：多位知名学者及团队协同攻关

点击蓝字 关注我们

本周学术回顾整合了多篇关于钙钛矿太阳能电池（PSCs）界面工程与工艺优化的前沿研究。这些研究的核心在于运用准费米能级分裂（QFLS）表征，精准量化器件的非辐射复合损失，并证实结构改良如何有效促进载流子动力学。主要关注点包括：通过有序界面设计实现 Voc 与 QFLS 的较小差异，利用固相结晶调控降低 QFLS 损失，以及通过界面修饰将二极管理想因子从约 1.40 降至约 1.36，最终实现了多项效率与稳定性突破。

中国科学院青岛生物能源与过程技术研究所逢淑平、王啸教授和山东大学的研究团队发表于《Journal of Energy Chemistry》（2025 年），聚焦于使用 Direct-2D 策略构建原子级有序的 2D/3D 钙钛矿异质结构，旨在解决无序界面导致的热力学亚稳态问题。研究核心在于将预合成的相纯 2D 钙钛矿纳米胶束沉积于 3D 钙钛矿表面，此举有效抑制了离子扩散和低 n 相到高 n 相的连续相变。

研究团队通过稳态光致发光量子产率（PLQY）计算 QFLS，量化了界面缺陷钝化的效果。原始钙钛矿薄膜的 PLQY 约为 4.82%，经 Direct-2D 处理后，PLQY 提升至约 6.89%。在完整的 Direct-2D 钙钛矿/C60/SnO2 半堆叠结构中，计算所得的 QFLS 达到约 1.211 eV，此数值与原始钙钛矿薄膜的 QFLS 几乎相等，这证实了 Direct-2D 策略成功抑制了 C60 诱发的界面非辐射复合。

此外，Direct-2D 器件表现出 QFLS 与实际开路电压（Voc）之间微小的差异，这表明器件内部空间上的费米能级平坦化，以及多数载流子的能级对齐良好。最终，Direct-2D 冠军器件的 PCE 达到 26.15%（Voc 1.175 V，FF 86.27%）（见 Fig.3a）。

在长期工作稳定性测试（MPPT）中，未封装的 Direct-2D 器件在连续运行 1500 小时后仍保留超过 99% 的初始 PCE，展现出良好的耐久性（见 Fig.4a）。

南京工业大学陈永华和西北工业大学黄维教授Yutian Xu 等人于《Nature Photonics》（2025 年）发表的研究，提出逆向逐层沉积（RLE）策略，用于制备高效且稳定的全热蒸镀倒置（p-i-n）钙钛矿太阳能电池。传统方法（FLE）中固相前驱体之间的界面反应会阻碍扩散与结晶；而 RLE 策略通过先沉积有机 FAI、后沉积无机前驱体，利用空穴传输层 2PACz 与 FAI 的强吸附作用，促进了退火过程中固相前驱体的充分扩散与顶向下结晶。

QFLS 被用于量化 RLE 策略在减少电压损失上的贡献。QFLS 值是根据 PLQY 数据及详尽平衡理论（使用 EQE_PV 和黑体辐射光谱）计算所得。通过比较 FLE 与 RLE 样品的 QFLS 数据（见 Fig.3e），发现 RLE 策略显著减少了非辐射复合损失：体材料损失从 FLE 的 70 meV 降至 RLE 的 27 meV，空穴传输层（HTL）界面损失从 FLE 的 49 meV 降至 RLE 的仅 6 meV。RLE 策略在体材料上减少了 43 meV 的损失，在 HTL 界面上减少了 43 meV 的损失。

RLE 冠军器件实现 25.19% 的 PCE（0.066 cm²），开路电压（Voc）达 1.18 V。此外，RLE 器件在连续最大功率点（MPP）追踪 1000 小时后，仍维持 95.2% 的初始 PCE（见 Fig.4h），这归因于 RLE 策略所制备薄膜具有增强的纵向成分均匀性与高结晶度。

西安交通大学陈波、杨冠军教授、北卡罗来纳大学教堂山分校Jinsong Huang教授领导团队于《Nature Communications》（2025 年）发表此研究，旨在解决全织构硅基板（2–4 um 金字塔结构）与单步溶液法钙钛矿薄膜不兼容的挑战。研究团队开发了氧化铝（Al2O3）颗粒修饰策略，通过热基板喷涂（hot-substrate spray-coating）将 Al2O3 颗粒均匀分布于织构表面，同时优化了湿膜覆盖性和成核均匀性。

Suns-QFLS 分析是评估 Al2O3 颗粒对钙钛矿薄膜电子品质影响的关键手段。Suns-QFLS 曲线显示，经 Al2O3 修饰的薄膜比对照组具有更高的 QFLS 值，且由其计算得出的二极管理想因子从对照组的 1.40 降低至约 1.36（见 Fig.3c）。这证实了非辐射复合途径被有效抑制。此外，时间分辨光致发光（TRPL）测量进一步区分了复合机制：载流子体寿命（tau_b）从对照组的 2.99 us 延长至约 3.68 us，表面复合速度（SRV）从 22.03 cm/s 降低至约 12.67 cm/s（见 Fig.3d）。

这些电子品质的改善使得钙钛矿/硅叠层太阳能电池性能提升，冠军器件实现了 32.77% 的 PCE（稳态 PCE 32.74%），开路电压（Voc）达 1.966 V（见 Fig.4c）。在操作稳定性方面，未封装叠层器件在连续 MPP 追踪 500 小时后，仍维持 90.1% 的初始 PCE。

浙江大学余学功、杨德仁院士、雷鸣、黄平捷教授，及晶科能源等机构的学者共同合作完成，发表于《Nature Photonics》（2025 年）的论文，旨在解决宽能隙钙钛矿层与传统自组装单分子层（SAMs，如 2PACz）之间埋藏界面缺陷导致的非辐射复合问题。研究团队设计了新型 SAM 分子 DMPP，其刚性共轭连接体和间位甲氧基团能形成紧密有序的分子排列，并与钙钛矿晶格实现更好的几何匹配。

QFLS 损失的评估量化了界面优化的效果。DMPP 界面上的钙钛矿薄膜 PLQY 达到约 0.49%，比 2PACz 界面（约 0.08%）提升约六倍。这使得预测的 QFLS 损失减少了约 47 meV（见 Fig.2j）。此外，瞬态吸收光谱（TAS）结果显示，DMPP-钙钛矿界面的载流子复合速度（S）大幅降至 320 cm/s，优于 2PACz 界面的 854 cm/s（见 Fig.2i）。

此外，DMPP 有序界面延缓了钙钛矿结晶动力学，促进溶剂完全蒸发，并成功钝化了深能级缺陷。通过瞬态离子漂移（TID）测量，发现 DMPP 界面将卤素离子迁移的活化能（Ea）提高至约 0.58 eV，优于 2PACz 的约 0.48 eV（见 Fig.3d）。这些电子与结构层面的改善，使得 1 cm² 钙钛矿-硅叠层电池实现了 33.86% 的效率（认证值 33.59%），开路电压（Voc）达 1.98 V。DMPP 器件展现出良好的长期稳定性，在连续 1 太阳光照 MPP 追踪 2,000 小时后，效率仍保持 90% 以上（见 Fig.4i）。

再走吧