CEJ.武汉理工大学库治良：蒸气预处理策略全真空制程钙钛矿/硅叠层太阳能电池突破 27.60% 效率

2026-02-03 13:48:23 光焱科技股份有限公司

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研究背景与工艺挑战

气相沉积技术（Vapor Deposition）凭借精确的膜厚控制、优异的保形生长（conformal growth）特性及工业扩展潜力，被视为钙钛矿光伏器件实现产业化的关键路径。然而，现有气相沉积法在结晶动力学控制方面存在瓶颈。传统的气相-固相反应（Vapor-Solid Reaction）多呈“自上而下”模式，表面快速生成的致密钙钛矿层会阻碍有机气体（如 FAI）向内渗透，导致底层反应不完全、晶粒尺寸受限及深能级缺陷（Deep-level defects）密度较高。这些微观结构缺陷严重限制了宽带隙（Wide bandgap）钙钛矿电池的开路电压（Voc）与填充因子（FF）。

针对该问题，由武汉理工大学库治良教授与海南大学李雄教授领导的研究团队，提出一种气相预处理（Vapor Pretreatment）策略。通过引入氯基添加剂（Cl-based additives）蒸气，利用 2-(2-萘基)乙胺盐酸盐（NEACl）与 FAI 的混合蒸气对无机前驱体（CsI/PbBr2/PbI2）进行处理。该方法在薄膜中诱导形成多孔中间相结构，改善了气体渗透路径，并以该中间相为模板，诱导钙钛矿晶体沿 (001) 面垂直取向生长，有效提升晶体质量并释放残余应力。

QFLS 表征与光电载流子动力学分析

准费米能级分裂（QFLS）直接反映材料在光照下的最大理论电压潜力，其数值与非辐射复合损失（Non-radiative recombination loss）高度相关。研究团队利用光学表征，量化了 NEACl/FAI 预处理对能级分裂及载流子行为的具体影响。

QFLS 的测量与计算逻辑

团队首先测量薄膜的光致发光量子产率（PLQY），基于细致平衡理论（Detailed Balance Theory）推算 QFLS。计算公式如下：

QFLS = kBT * ln(PLQY * JG / J0,rad)

其中 JG 代表光照下的电流密度，J0,rad 为暗态辐射复合饱和电流密度。

关键数据解析

依据 Figure 1e 与 Figure 5c 数据，经 NEACl/FAI 预处理的目标样品（Target），其 PLQY 达到 6.88%，显着高于对照组（Control）的 4.32%。此差异直接反映于 QFLS 数值：目标样品 QFLS 为 1.255 eV，对照组为 1.230 eV。

25 meV 的 QFLS 提升表明薄膜内部的非辐射复合中心（Trap states）被有效钝化。这与实际器件测得的开路电压提升趋势（由 1.157 V 升至 1.202 V）一致，证实电压改善源于材料本征光电质量的提升，而非仅依赖接触层的优化。

PL Mapping 与大面积均匀性

为评估大面积缺陷分布，团队进行了光致发光成像（PL Mapping）分析。如 Figure 5g 所示，在 2.5 cm x 2.5 cm 尺度下，对照组呈现明显“暗斑”，对应高密度的非辐射复合中心与晶界缺陷。NEACl 处理后的样品展现出高发光强度与空间均匀性。均匀的 QFLS 分布是大面积电池与叠层器件制备的关键指标，能避免局部低电压区域导致的效率衰减。

载流子动力学与缺陷密度验证

时间分辨光致发光（TRPL）与空间电荷限制电流（SCLC）测试进一步佐证了 QFLS 提升的物理机制：

TRPL（Figure 5b）：目标样品具备更长的平均载流子寿命，光致发光衰减速率较慢，表明非辐射复合通道受到抑制。

SCLC（Figure 5d）：电子传输单载流子器件测试显示，目标样品的缺陷密度（Trap density）计算值为 1.31 x 10^15 cm^-3，低于对照组的 2.49 x 10^15 cm^-3。缺陷密度的降低直接减少了 Shockley-Read-Hall (SRH) 复合，进而提升 QFLS 与最终器件电压。