前言

在太陽能光伏和先進(jìn)材料研究中，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（QFLS）及其空間分布映射（QFLS mapping）是理解材料、診斷器件瓶頸、指導(dǎo)新材料開發(fā)和工藝優(yōu)化的關(guān)鍵工具。

QFLS是光生載流子（電子與空穴）在非平衡態(tài)下的化學(xué)勢(shì)能差。理論上，它直接等于理想器件的開路電壓（Voc）。但實(shí)際器件中，傳輸層和電極界面存在電化學(xué)勢(shì)損失，導(dǎo)致這個(gè)理想關(guān)系"不匹配"。分析這種不匹配，是提升光伏技術(shù)的突破口。

QFLS為何在光伏研究中如此重要？

QFLS直接衡量光伏吸收層材料質(zhì)量，代表器件開路電壓的理論上限。我們通過校準(zhǔn)光致發(fā)光（PL）光譜直接測(cè)量QFLS，避開制作完整器件時(shí)的復(fù)雜界面問題。通過QFLS，能直接評(píng)估材料本身的復(fù)合活性，幫助研究者在材料開發(fā)初期了解其內(nèi)在潛力。

QFLS測(cè)量直接量化太陽能電池中的輻射復(fù)合與非輻射復(fù)合損失。非輻射復(fù)合是導(dǎo)致QFLS偏離輻射極限的主要原因。通過這個(gè)差異，能準(zhǔn)確識(shí)別電壓損失的根源：來自材料本身的體復(fù)合，還是界面問題。

解讀QFLS與Voc的“不匹配之謎"

理論上，QFLS應(yīng)等于器件的外部開路電壓Voc（Voc = ΔEF/q）。但實(shí)際器件中，兩者常有差異。這個(gè)差異揭示了界面處電化學(xué)勢(shì)損失的存在。

德國Fraunhofer ISE的Uli Würfel教授團(tuán)隊(duì)在2021年《Energy Technology》上指出，平面鈣鈦礦太陽能電池的Voc提升了250mV，但PL信號(hào)變化不到兩倍 [1]。他們認(rèn)為，這可以用少數(shù)載流子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)（QFL）向?qū)?yīng)電極方向的梯度來解釋。異質(zhì)結(jié)中載流子速度飽和可能導(dǎo)致QFL不連續(xù)。在離子運(yùn)動(dòng)影響下，不匹配現(xiàn)象更明顯。這說明，即使材料本身質(zhì)量好，如果界面電化學(xué)勢(shì)傳輸不佳，外部Voc也無法體現(xiàn)內(nèi)部QFLS的潛力。

圖片取自：Ion Movement Explains Huge VOC Increase despite Almost Unchanged Internal Quasi-Fermi-Level Splitting in Planar Perovskite Solar Cells – Fig.2

德國Potsdam University的Martin Stolterfoht教授團(tuán)隊(duì)在2021年《Advanced Energy Materials》中，詳細(xì)闡述了QFLS-Voc不匹配的機(jī)制 [2]。他們定義了多數(shù)載流子的選擇性因子（selectivity, Se,maj），此因子與多數(shù)和少數(shù)載流子接觸電阻有關(guān)。通過圖1的能帶圖，他們展示了選擇性與非選擇性電洞接觸層如何影響QFL的彎曲程度，進(jìn)而導(dǎo)致QFLS-Voc不匹配。低遷移率中間層的存在也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的QFLS-Voc不匹配，即使QFLS持續(xù)提升，Voc卻可能下降。Fig. 5(b)、5(c)和5(d)的模擬結(jié)果顯示了低遷移率中間層如何影響QFLS的梯度和Voc的下降趨勢(shì)。

圖片取自：Mismatch of Quasi–Fermi Level Splitting and Voc in Perovskite Solar Cells – Fig.1

要快速篩選具有高效率潛力的材料，并優(yōu)化傳輸層材料，QFLS-Maper檢測(cè)設(shè)備可以提供快速且準(zhǔn)確的QFLS量測(cè)，進(jìn)而預(yù)測(cè)材料的理論效率上限并生成Pseudo J-V曲線。這樣，研究者就能在組件制備前，迅速掌握材料潛力，大幅減少試錯(cuò)成本與時(shí)間。

QFLS Mapping：可視化揭示材料均勻性與缺陷

單點(diǎn)QFLS量測(cè)重要，但材料在微觀尺度上的均勻性對(duì)器件性能有決定性影響。QFLS mapping技術(shù)能提供材料表面QFLS分布的可視化圖像，讓材料優(yōu)劣一目了然。通過QFLS mapping，能直接觀察材料各區(qū)域的QFLS差異，識(shí)別局部缺陷或不均勻性問題。

英國University of Cambridge的Sam Stranks教授團(tuán)隊(duì)在2025年《ACS Energy Letters》中，利用超光譜絕對(duì)PL成像技術(shù)獲取了次電池的QFLS映射圖 [3]。他們比較了GO/2PACz串聯(lián)電池與參考電池的QFLS分布，結(jié)果顯示GO/2PACz串聯(lián)電池在低帶隙（LBG）和寬帶隙（WBG）次電池中表現(xiàn)出更均勻的QFLS分布。這表示非輻射復(fù)合被抑制，內(nèi)部與外部電壓損失得到改善。Fig. 3(a)和3(b)的QFLS映像圖，以及Supplementary Fig. S14和S15的QFLS分布直方圖，直觀展示了不同界面層對(duì)QFLS均勻性的影響。

圖片取自：Optimized Graphene-Oxide-Based Interconnecting Layer in All-Perovskite Tandem Solar Cells – Fig.3ab

新加坡國立大學(xué)侯毅教授團(tuán)隊(duì)于2024年發(fā)表在《Energy & Environmental Science》的論文中，展示了不同鈣鈦礦薄膜的QFLS成像圖 [4]。他們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過PhA改質(zhì)的薄膜在整個(gè)檢測(cè)區(qū)域顯示出更高的QFLS值與更佳的空間均勻性，這證明PhA能鈍化缺陷、減少非輻射復(fù)合，從而提升鈣鈦礦薄膜的光電品質(zhì)。Fig. 3(a)呈現(xiàn)了這些結(jié)果。

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

透過QFLS-Maper檢測(cè)設(shè)備，研究者可以在短短3秒內(nèi)獲得QFLS可視化圖。這樣不僅能快速掌握材料整體的QFLS分布情況，而且能實(shí)時(shí)評(píng)估材料的均勻性與缺陷，對(duì)于早期研發(fā)階段的材料篩選與制程監(jiān)控，具有無可取代的優(yōu)勢(shì)。

量化能量損失：從PLQY到QFLS

QFLS不僅能定性判斷材料品質(zhì)，更能定量分析能量損失。QFLS的計(jì)算公式為：QFLS = kBT ln (PLQY × JG / J0,rad)。這里的PLQY是光致發(fā)光量子產(chǎn)率，JG是光生電流密度，J0,rad是暗態(tài)輻射飽和電流密度。通過這些參數(shù)，能精確拆解輻射與非輻射復(fù)合損失的比例。

德國Potsdam University Martin Stolterfoht教授團(tuán)隊(duì)于2020年發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》的論文中，利用PLQY和JG定量了QFLS [5]。他們發(fā)現(xiàn)，通過比較測(cè)量的QFLS與輻射極限的VOC，MAPI和三陽離子鈣鈦礦薄膜都存在非輻射復(fù)合損失（MAPI約200 meV，三陽離子鈣鈦礦約110 meV）。他們還觀察到，在HTL/鈣鈦礦界面和鈣鈦礦/C60界面的復(fù)合損失增加。Table 2列出了這些損失的數(shù)據(jù)，Supplementary Fig. S5展示了這些損失。這項(xiàng)研究說明了QFLS如何精準(zhǔn)定位復(fù)合熱點(diǎn)。

圖片取自：Defect and Interface Recombination Limited Quasi-Fermi-Level Splitting and Open-Circuit Voltage in Mono – Fig.2

中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所逄淑平教授團(tuán)隊(duì)在2024年《Advanced Materials》中，利用QFLS量化鈣鈦礦太陽能電池中非輻射復(fù)合造成的能量損失 [6]。他們利用EQE譜計(jì)算JG，并結(jié)合黑體輻射譜計(jì)算J0，精確評(píng)估QFLS。

圖片取自：Enhanced Quasi‐Fermi Level Splitting of Perovskite Solar Cells by Universal Dual‐Functional Polymer – Fig.4b

香港理工大學(xué)李剛教授團(tuán)隊(duì)于2025年《Advanced Materials》中，運(yùn)用QFLS = qVoc,rad + kBT ln(PLQY)的公式解析低VOC虧損的來源 [7]。他們發(fā)現(xiàn)，在SnO2/鈣鈦礦埋藏界面處，通過其策略，能量損失Δ(VOC,rad ? QFLS)從62 meV降低至34 meV。Fig. 4(e)和Table S5展示了這些數(shù)據(jù)，證實(shí)超低VOC虧損主要?dú)w因于該界面非輻射復(fù)合的消除。

圖片取自：Buried Interface Regulation with a Supramolecular Assembled Template Enables High-Performance Perovskite Solar Cells for Minimizing the VOC Deficit – Fig.4e

QFLS-Maper檢測(cè)設(shè)備憑借其高達(dá)6個(gè)數(shù)量級(jí)的PLQY靈敏度，能從1E-4%的PLQY值進(jìn)行量測(cè)。而且，它采用NIST可追溯的零組件與國際認(rèn)可的量測(cè)方式，確保了QFLS量測(cè)的準(zhǔn)確性。這使研究者能夠精確地量化非輻射復(fù)合損失，從而為材料優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

材料與界面工程的指引者

QFLS不僅是診斷工具，更是材料與界面工程的指引。通過QFLS的變化，能評(píng)估不同傳輸層材料的效果，以及化學(xué)清洗或退火等制程對(duì)吸收層表面性質(zhì)的影響。

盧森堡University of Luxembourg Susanne Siebentritt教授團(tuán)隊(duì)于2018年發(fā)表在《IEEE Journal of Photovoltaics》的論文中，探討了NaF和NaF+RbF后沉積處理對(duì)CIGS薄膜的影響 [8]。他們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過NaF+RbF處理的吸收層，QFLS高于僅經(jīng)過NaF處理的樣品，這歸因于非輻射復(fù)合的減少，甚至在CdS沉積之前就已發(fā)生。即使是暴露在空氣中、表面降解的吸收層，經(jīng)過重堿金屬處理后，其QFLS也呈現(xiàn)相同的提升趨勢(shì)，表明堿金屬處理改善了吸收層本身的品質(zhì)和表面。Fig. 3呈現(xiàn)了這些趨勢(shì)。

圖片取自：Influence of Sodium and Rubidium Postdeposition Treatment on the Quasi-Fermi Level Splitting of Cu(In,Ga)Se2 Thin Films – Fig.3

阿爾及利亞Higher National School of Renewable Energies的Hichem Bencherif教授團(tuán)隊(duì)于2025年《Solar Energy》中，研究了在3D鈣鈦礦中引入2D雙結(jié)層和不同電洞傳輸層的影響 [9]。他們發(fā)現(xiàn)，這些優(yōu)化提高了PLQY和QFLS，表明非輻射損失降低。Fig. 5和Table 6展示了這些提升的效果。

圖片取自：Achieving Quasi-Fermi level splitting near its radiative limit in efficient and stable 2D/3D perovskite solar Cells: Detailed balance model – Fig.5a

QFLS-Maper檢測(cè)設(shè)備能進(jìn)行快速的分層QFLS測(cè)試，并支持原位時(shí)間相變化的PL分析。研究者能在制備過程中，逐層評(píng)估每種材料對(duì)整體性能的影響，迅速辨識(shí)瓶頸，優(yōu)化制程條件與材料選擇。

深入探究載流子動(dòng)力學(xué)與缺陷控制

QFLS不僅與宏觀的器件性能相關(guān)，更深入反映微觀的載流子濃度、壽命和摻霧水平。更高的QFLS，可能意味著更低的復(fù)合活性，也可能指示更高的摻雜濃度。要精確區(qū)分這兩種效應(yīng)，需要QFLS與其他測(cè)量方法的結(jié)合。

中國河南大學(xué)杜祖亮教授團(tuán)隊(duì)于2023年《Nature Communications》中，探討了如何通過增加QFLS來降低量子點(diǎn)發(fā)光二極管的熱產(chǎn)生 [10]。他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于給定電子密度，如果薄膜的吸收率不變，減少QD的堆積密度可以增加電子QFLS。這項(xiàng)研究雖然針對(duì)LED，但其核心思想——通過優(yōu)化載流子管理來提升QFLS，同樣適用于光伏領(lǐng)域。

圖片取自：Minimizing heat generation in quantum dot light-emitting diodes by increasing quasi-Fermi-level splitting – Fig1b

QFLS-Maper檢測(cè)設(shè)備不僅能快速獲取QFLS數(shù)據(jù)，其多模態(tài)功能也允許與其他測(cè)量技術(shù)結(jié)合，例如時(shí)間分辨PL（TRPL），從而更全面地分析載流子壽命、摻雜濃度及缺陷密度等深層物理機(jī)制。

結(jié)語

QFLS及其映射技術(shù)已成為光伏研究的工具。它不僅提供了量化能量損失的手段，更在材料篩選、界面工程、制程優(yōu)化和基礎(chǔ)物理理解方面，發(fā)揮指引作用。從宏觀的器件性能診斷，到微觀的載流子動(dòng)力學(xué)與缺陷控制，QFLS提供了多維度的洞察力，加速了新一代高效能光伏器件的開發(fā)進(jìn)程。掌握并善用QFLS分析，是任何從事光伏材料與器件研究的專業(yè)人員的重要技能。

參考文獻(xiàn)

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