QFLS技术解析钙钛矿电池非辐射损耗机制

1 背景与问题

钙钛矿太阳能电池因其高光电转换效率而备受关注，但其开路电压（）往往远低于理论极限。造成这一差距的主要原因是非辐射复合损耗，这些损耗可能源于体相缺陷、表面陷阱或界面复合。然而，准确量化体相与界面各自的损耗贡献一直是该领域的难题。传统的电流-电压（J-V）测试只能提供宏观性能参数，无法深入揭示损耗的物理位置和机制。为了突破这一瓶颈，研究人员急需一种能够精确测量准费米能级分裂（QFLS）和光致发光量子产率（PLQY）的先进测试技术，以区分材料本征质量与界面接触特性对器件性能的影响。

2 核心方案

本论文《Defect/Interface Recombination Limited Quasi-Fermi Level Splitting and Open-Circuit Voltage in Mono- and Triple-Cation Perovskite Solar Cells》通过绝对光致发光（PL）测量和电致发光量子效率（）测试，深入对比了单阳离子（MAPI）和三阳离子钙钛矿电池的能量损耗机制。

研究团队采用了以下核心测试技术：

(1) 绝对PL测量：直接测量薄膜、半器件及完整器件的准费米能级分裂（QFLS），量化非辐射电压损失；

(2) 瞬态光致发光（TRPL）：评估载流子寿命，分析体相复合动力学；

(3) 变温PL测试：在低温（20 K）下探测亚带隙发射态，识别浅层陷阱；

(4) 光强依赖测试：通过随光强的变化计算理想因子，判断主导复合机制。

图1. (a) 测量的电致发光量子效率（EQEEL）与电压的关系；(b) MAPI和三价阳离子器件的开路电压与强度以及获得的理想因子（nID）的关系；(c) MAPI和三价阳离子钙钛矿纯膜的瞬态光致发光测量及获得的寿命。

3 实验结果与分析

通过上述高精度测试手段，研究得出以下关键数据：

3.1 器件性能与QFLS对比

论文对比了MAPI与三阳离子钙钛矿的性能，发现三阳离子材料具有显著更高的QFLS和更低的非辐射损耗。

3.2 损耗来源定位

研究进一步利用QFLS分层测量技术，将损耗解耦为体相损耗与界面损耗：

(1) MAPI体系：体相QFLS（1.122 eV）与器件接近，说明损耗主要源于体相和表面的陷阱态。变温PL证实了MAPI中存在大量浅层陷阱态；

(2) 三阳离子体系：体相QFLS较高（1.231 eV），但加入传输层后QFLS显著下降（降至1.137 eV），说明其体相质量较好，损耗主要源于界面复合。

图2.块体、界面和电极中的准费米能级分裂（QFLS）与开路电压（VOC）损耗。MAPI块体（黑星）和三价阳离子（红星）获得的QFLS受到块体内非辐射复合损耗的影响（深黄色稀疏和密集线条分别表示）。在玻璃基底上的部分叠层电池（HTL/钙钛矿、钙钛矿/ETL以及p-i-n叠层）中，QFLS则受到额外界面复合损耗的影响（紫色稀疏和密集线条分别表示）。最后，p-i-n叠层的QFLS与完整电池的VOC之间的差异表明了金属电极处存在复合损耗以及势能匹配问题，尽管不匹配程度较小。

3.3 钝化效果验证

论文通过TOPO钝化处理，成功将MAPI的QFLS从1.122 eV提升至1.2 V，证明了表面钝化对提升体相质量材料性能的关键作用。

图3.清洁的（a）MAPI钙钛矿薄膜和（b）三价阳离子钙钛矿在温度依赖性下的光致发光发射。下方热图分别显示了（c）MAPI和（d）三价阳离子在不同温度和波长下归一化的峰值发射强度。

4 产品介绍

HiYield-QFLS

太阳能电池准费米能级分裂测量仪

HiYield-QFLS是一款太阳能电池准费米能级分裂与非辐射损耗专用测量平台，用于分析QFLS、隐含开路电压、EL效率和等效光伏特性。系统可从材料、器件和空间分布三个层面定位损耗。适用于高效率钙钛矿、叠层和薄膜太阳能电池研发。QFLS、隐含开路电压iVoc和非辐射电压损失已成为高效率钙钛矿及叠层电池研究的关键指标，尤其适用于宽带隙吸收层与界面钝化分析。HiYield-QFLS可比较材料、半器件和完整器件，并通过mapping定位局部损耗。

4.1 技术特点

(1) 集成材料QFLS_PL、器件QFLS_EL、电致发光量子效率、Pseudo-JV与Equi-PV等六类功能模块；

(2) 支持不同辐照度下的QFLS扫描，并可选配QFLS_EL一维/二维mapping用于空间损耗定位；

(3) 采用532 nm辐照源，等效光强覆盖0.001-11 sun，支持器件不同工作条件下的损耗研究；

(4) 自动测试多个子器件，并集成监控观察和测温模块，提高批量测试与条件追溯能力；

(5) 光强扫描、材料/器件测量和一维/二维mapping可用于分析非辐射损失随工作条件和空间位置的变化。

4.2 产品优势

(1) 不是单一PL测量，而是将QFLS、iVoc、EL效率和等效JV关联，直接服务太阳电池损耗诊断；

(2) 材料、器件与空间mapping三层分析能够区分非辐射损耗来源并定位局部性能短板；

(3) 专用自动化流程降低QFLS模型与多设备数据拼接门槛，使前沿指标更易进入常规研发；

(4) QFLS、iVoc、光强扫描和mapping共同使用，可从材料、器件与局部区域多个层面分析非辐射损失来源。

原文参考：Defect/Interface Recombination Limited Quasi-Fermi Level Splitting and Open-Circuit Voltage in Mono- and Triple-Cation Perovskite Solar Cells