前言

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）因其優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率和制備工藝簡(jiǎn)便性，已成為光伏領(lǐng)域的重要研究方向。然而，提升開路電壓（VOC）并確保長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍是關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。空穴傳輸層（HTL）的材料特性和界面工程直接影響VOC和填充因子（FF）表現(xiàn)。近年來(lái)，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（QFLS）映射和擬態(tài)電流-電壓（pseudo-JV）曲線等先進(jìn)表征技術(shù)為HTL結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有力的分析工具。

QFLS與開路電壓的關(guān)聯(lián)機(jī)制

QFLS定義為導(dǎo)帶電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)（EF,e）與價(jià)帶空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)（EF,h）的能量差，反映光生載流子的化學(xué)勢(shì)能分布。理論上，QFLS應(yīng)等于器件開路電壓（VOC = ΔEF/q），但實(shí)際器件中因接觸和傳輸層的電化學(xué)勢(shì)損失，兩者存在不匹配現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)量QFLS，研究人員能直接量化太陽(yáng)能電池的輻射與非輻射復(fù)合損失，精確識(shí)別電壓損失來(lái)源——區(qū)分材料體復(fù)合與界面問(wèn)題的貢獻(xiàn)，為VOC優(yōu)化和材料選擇提供量化依據(jù)。

取自：光焱科技Enlitech－QFLS準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂技術(shù)指南：評(píng)估光伏材料性能上限 太陽(yáng)能電池性能表征與效率提升的關(guān)鍵參數(shù)分析

HTL結(jié)構(gòu)改質(zhì)的研究進(jìn)展

1.溴取代自組裝單分子層的界面工程

新加坡國(guó)立大學(xué)侯毅(Yi Hou)教授團(tuán)隊(duì)（2025）在寬禁帶鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究中，采用溴取代策略修飾自組裝單分子層（SAM）末端基團(tuán)。研究顯示，DCB-Br-2處理能有效調(diào)控SAM與鈣鈦礦的界面相互作用和能級(jí)匹配，顯著減少非輻射復(fù)合并加速空穴提取。穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光（PL）和PL量子產(chǎn)率（PLQY）測(cè)量結(jié)果表明，DCB-Br-2處理后的鈣鈦礦薄膜展現(xiàn)最高PL強(qiáng)度和QFLS值，甚至超越裸鈣鈦礦薄膜，直接證明缺陷鈍化和空穴提取的改善效果。

取自：Surpassing 90% Shockley–Queisser VOC limit in 1.79 eV wide-bandgap perovskite solar cells using bromine-substituted self-assembled monolayers-Fig.3e

光強(qiáng)度依賴PL測(cè)量所提取的pseudo-JV曲線進(jìn)一步驗(yàn)證，DCB-Br-2能有效降低HTL/鈣鈦礦界面的偽填充因子（p-FF）損失。該研究在1.79 eV寬禁帶電池中實(shí)現(xiàn)1.37 V開路電壓，VOC損失僅0.42 V，超越Shockley-Queisser極限的90%，非輻射復(fù)合VOC損失降至0.13 V。

取自：Surpassing 90% Shockley–Queisser VOC limit in 1.79 eV wide-bandgap perovskite solar cells using bromine-substituted self-assembled monolayers-Fig.3c

2.QFLS與VOC不匹配的機(jī)制解析

德國(guó)波茨坦大學(xué)Dieter Neher教授團(tuán)隊(duì)（2019）深入探討鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中QFLS與VOC的不匹配問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，測(cè)得的QFLS顯著低于輻射極限，主要復(fù)合機(jī)制為非輻射復(fù)合，尤其集中在鈣鈦礦/電荷傳輸層界面。此不匹配源于能級(jí)偏移和界面復(fù)合加速。研究強(qiáng)調(diào)，外部VOC并不全反映吸收層復(fù)合機(jī)制，可能導(dǎo)致對(duì)復(fù)合行為的誤判。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與漂移-擴(kuò)散模擬驗(yàn)證，理想匹配且阻擋的傳輸層能避免VOC飽和并消除QFLS-VOC不匹配。

取自：On the Relation between the Open-Circuit Voltage and Quasi-Fermi Level Splitting in Efficient Perovskite Solar Cells-Fig.3

3.高光譜QFLS映射的界面損失可視化

意大利帕維亞大學(xué)Giulia Grancini教授團(tuán)隊(duì)（2022）采用高光譜QFLS映射（Δμ映射）技術(shù)，可視化和量化反向結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面的非輻射損失。該技術(shù)能直觀觀察不同有機(jī)鈍化劑（如苯乙基銨PEAI）對(duì)QFLS空間分布的影響，量化其對(duì)光伏性能的提升作用。QFLS映像清晰顯示界面缺陷的有效鈍化和非輻射復(fù)合的減少，為界面工程優(yōu)化提供空間分布信息。

取自：Imaging and quantifying non-radiative losses at 23% efficient inverted perovskite solar cells interfaces-Fig.3a-f

4.雙功能聚合物添加劑的通用性改質(zhì)

中科院青島生物能源與過(guò)程研究所逄淑平教授團(tuán)隊(duì)（2024）開發(fā)了通用性雙功能聚合物添加劑，顯著提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池QFLS，使VOC接近Shockley-Queisser理論極限。該添加劑通過(guò)同時(shí)鈍化陽(yáng)離子和陰離子缺陷，將鈣鈦礦薄膜從強(qiáng)N型轉(zhuǎn)變?yōu)槿?/span>N型，優(yōu)化能級(jí)匹配并有效抑制體非輻射復(fù)合。QFLS量化分析能直接評(píng)估不同處理方法對(duì)非輻射復(fù)合能量損失的貢獻(xiàn)，為材料設(shè)計(jì)提供精確指導(dǎo)。

取自：Enhanced Quasi-Fermi Level Splitting of Perovskite Solar Cells by Universal Dual-Functional Polymer- Graphical Abstract

QFLS-Maper技術(shù)在HTL開發(fā)中的應(yīng)用

QFLS和pseudo-JV作為非接觸光電表征手段，能穿透復(fù)雜器件結(jié)構(gòu)，直接揭示材料固有光電潛力及各層對(duì)整體性能的影響，避免傳統(tǒng)電學(xué)測(cè)量中接觸和傳輸層問(wèn)題的干擾。

現(xiàn)代QFLS-Maper設(shè)備在HTL結(jié)構(gòu)開發(fā)中提供三項(xiàng)核心功能：

1.QFLS分布映射：數(shù)秒內(nèi)呈現(xiàn)材料QFLS空間分布圖像，直觀顯示樣品均勻性和缺陷密度。比較不同HTL結(jié)構(gòu)（如傳統(tǒng)BCP與改質(zhì)BCPS）的QFLS映射圖，可發(fā)現(xiàn)改質(zhì)HTL顯著提升QFLS中心值（提升超過(guò)10 mV），并使QFLS分布的半高寬（FWHM）明顯變窄，直接反映界面復(fù)合抑制和材料均勻性改善。此可視化能力使研究人員快速識(shí)別界面缺陷分布，定量評(píng)估不同改質(zhì)方法的效果。

2.擬態(tài)電流-電壓曲線：通過(guò)光強(qiáng)度依賴PLQY測(cè)量，兩分鐘內(nèi)構(gòu)建不受電極或傳輸層影響的pseudo-JV曲線，預(yù)測(cè)材料理論效率上限和潛在填充因子（pFF）。HTL結(jié)構(gòu)改質(zhì)后，若pseudo-JV曲線曲率趨于理想，預(yù)示器件FF將顯著提升。即使未完成完整器件制備，僅通過(guò)QFLS映像和pseudo-JV曲線，即可對(duì)HTL改質(zhì)方案的VOC和FF潛力作出快速準(zhǔn)確判斷，有效篩選具潛力的材料組合和工藝條件。

3.分層檢測(cè)能力：支持制備過(guò)程中不同階段（裸吸收層、吸收層/HTL堆棧、吸收層/電子傳輸層堆棧等）的QFLS和pseudo-JV測(cè)量。精準(zhǔn)定位電荷復(fù)合損失的具體位置，理解每層材料對(duì)器件性能極限的影響，為界面工程和材料優(yōu)化提供直接實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

技術(shù)展望

QFLS分裂映像與pseudo-JV曲線等表征技術(shù)正重塑光電薄膜材料的研發(fā)模式。這些技術(shù)深入揭示材料內(nèi)在光電物理機(jī)制，特別在HTL結(jié)構(gòu)改質(zhì)領(lǐng)域，提供定量分析和預(yù)測(cè)能力。隨著先進(jìn)表征工具的普及，太陽(yáng)能電池研發(fā)效率將顯著提升，加速高性能、高穩(wěn)定性光伏器件的商業(yè)化進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

• Energy      & Environmental Science, 2025, Surpassing 90% Shockley-Queisser VOC      Limit in 1.79 eV Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells Using      Bromine-Substituted Self-Assembled Monolayers

• Advanced      Energy Materials, 2019, On the Relation between the Open-Circuit Voltage      and Quasi-Fermi Level Splitting in Efficient Perovskite Solar Cells

• Nature      Communications, 2022, Imaging and quantifying non-radiative losses at 23%      efficient inverted perovskite solar cells interfaces

• Advanced      Materials, 2024, Enhanced Quasi‐Fermi      Level Splitting of Perovskite Solar Cells by Universal Dual‐Functional Polymer

• Solar      RRL, 2021, Quantifying Quasi‐Fermi      Level Splitting and Open‐Circuit Voltage Losses in Highly      Efficient Nonfullerene Organic Solar Cells