钙钛矿界面非辐射损失分析：PLQY与TRPL联合表征方法

PLQY用于评估稳态发光效率，TRPL用于分析时间动力学；二者联合有助于区分界面钝化、非辐射损失与载流子抽取变化。

1. 为什么钙钛矿界面特别容易成为非辐射损失的关键位置？

钙钛矿器件并不是一层孤立的发光薄膜。实际器件中，钙钛矿需要与电子传输层、空穴传输层、电极以及各种界面修饰层接触。界面附近的缺陷态、能级失配、局部化学反应、离子迁移和空间非均匀性，都可能改变载流子的复合与抽取路径。

从发光角度看，界面问题最核心的后果之一，是增加非辐射复合：原本可能通过发光释放能量的载流子，在缺陷或不利界面处通过非发光路径损失。对太阳能电池而言，这类损失会压低准费米能级分裂和开路电压；对发光器件而言，则会降低发光效率并加剧局部失效。

因此，“界面是否被有效钝化”不能只看一个表面形貌，也不能只看一条寿命曲线。更稳妥的做法，是同时观察效率与动力学，并结合具体器件结构判断。

图1. 钙钛矿界面问题为何需要联合分析。图中曲线与空间分布为概念示意。

2. 界面非辐射损失可能从哪里来？

钙钛矿界面的损失通常不是单一来源。常见因素包括未配位离子、空位与其他缺陷形成的陷阱态；钙钛矿与传输层之间的能级失配；湿度、光照或偏压引起的离子迁移和界面化学变化；以及局部相组成、覆盖度或粗糙度不均造成的空间差异。

这些过程之间还可能相互耦合。例如，缺陷既能提供陷阱辅助复合通道，也可能改变局部电势；能级失配既会影响载流子抽取，也会增加界面载流子积累；离子迁移则可能使界面状态随时间发生变化。

这也是为什么只用“寿命变长”或“PL更亮”来概括界面优化，往往不够。

图2. 钙钛矿/传输层界面的典型非辐射损失来源。

3. PLQY与TRPL分别回答什么问题？

PLQY（Photoluminescence Quantum Yield，光致发光量子产率）关注的是光子平衡：在给定激发条件下，样品吸收的光子中有多少最终以发射光子的形式释放出来。它更接近“整体发光效率”这一问题，因此对非辐射损失非常敏感。

TRPL（Time-Resolved Photoluminescence，时间分辨光致发光）记录脉冲激发后发光强度随时间的衰减，提供载流子或激发态随时间演化的信息。它可以反映快、慢不同过程的贡献变化，但寿命本身同时受辐射复合、非辐射复合、载流子抽取及多种动力学过程影响。

对于界面钝化研究，PLQY更接近“损失有没有减少”，TRPL更接近“复合与抽取过程怎样随时间变化”。两者关注的维度不同，也正因为不同，放在一起才更有判断力。

图3. PLQY与TRPL对界面问题提供的两类互补信息。图中衰减曲线为示意数据。

4. 在简化模型下，为什么钝化常表现为PLQY提高、寿命延长？

在最简单的一阶发光模型中，可用辐射速率常数kr和非辐射速率常数knr描述两类竞争过程：

PLQY = kr / (kr + knr)

寿命τ = 1 / (kr + knr)

如果界面钝化主要降低knr，而kr与其他条件变化不大，那么PLQY会提高，同时寿命也常表现为延长。这是很多“钝化前后”实验中最容易理解的一种情形。

但这只是简化框架。真实钙钛矿界面还存在载流子抽取、能量转移、多体复合、光子回收以及空间非均匀等过程。因此，不能把上述关系机械地应用到所有器件堆栈。特别是加入传输层之后，TRPL变快既可能来自非辐射损失增强，也可能来自更有效的载流子抽取。

图4. 简化一阶模型下，界面钝化对PLQY与寿命的典型影响。

5. PLQY与寿命的不同组合，应该怎样解读？

在测试条件可比、并以同一对照体系为参考时，可以先用以下四种组合建立初步判断。

PLQY较高、寿命较长：常与非辐射损失降低一致，是理想的界面钝化表现之一。

PLQY较高、寿命较短：不能直接判定为变差。若样品已经形成钙钛矿/传输层堆栈，寿命缩短可能对应更快的载流子抽取；在其他发光体系中，也可能与更快的辐射过程有关。

PLQY较低、寿命较短：通常需要警惕快速损失通道，但仍要排除载流子抽取和测试条件变化。

PLQY相近、寿命不同：说明最终发光效率相近，但载流子动力学可能不同，不能只靠PLQY判断界面行为。

因此，组合关系的意义不在于给出固定答案，而在于帮助研究者识别“哪些解释仍然可能存在”，并决定下一步需要什么证据。

图5. PLQY与寿命组合变化的常见解读。以下判断默认样品结构与测试条件可比。

6. 论文案例：为什么同一篇研究会同时使用PL、PLQY和TRPL？

已有钙钛矿界面研究提供了很典型的例子。Pan等人在2024年Nature Communications 的工作中，同时使用PL、TRPL、PL mapping 和PLQY评价Sn-Pb钙钛矿表面及钙钛矿/C60界面的钝化。处理后的薄膜具有更高PL强度和更长寿命；绝对PLQY由对照样品的0.43%提高到协同处理后的1.15%。更值得注意的是，当样品与C60接触后，对照堆栈的PLQY下降至0.030%，而协同处理后的钙钛矿/C60堆栈可达到0.58%。这使“界面接触造成的额外非辐射损失”与“钝化带来的改善”能够被更直接地区分。[1]

2025年另一项Nature Communications 研究同样将绝对PLQY与瞬态PL联合用于表面/界面钝化评价。完整器件中，对照样品PLQY约0.1%，对应平均非辐射电压损失约170 mV；表面与界面协同钝化后，PLQY约提高到3%，对应非辐射损失降至约90 mV。与此同时，作者在接近太阳光工作载流子密度的条件下进行TRPL，协同钝化且覆盖C60/SnOx后得到更长的寿命，进一步支持形成了更好的钝化接触。[2]

这些工作说明，PLQY与TRPL的价值不是“重复证明同一件事”，而是从稳态效率和时间动力学两个方向共同约束界面损失。

7. 为什么TRPL变短有时反而代表界面抽取更好？

界面研究中最容易出现的误区之一，是把“寿命越长越好”作为固定规则。事实上，是否成立取决于样品结构。

2026年一项宽带隙钙钛矿研究就展示了这种差异：在玻璃/钙钛矿结构中，添加剂处理后寿命增加，与缺陷钝化一致；但当钙钛矿进一步覆盖C60后，处理样品的TRPL寿命反而下降，作者将其归因于更显著的载流子抽取。与此同时，PLQY、准费米能级分裂和其他界面证据仍然支持非辐射损失受到抑制。[3]

因此，裸膜、半器件和完整器件中的TRPL不能用同一套简单规则解释。必须先问清楚：当前TRPL中除了复合之外，是否还包含载流子转移或抽取？

8. 哪些测试因素会影响“钝化是否有效”的判断？

要比较界面处理前后的PLQY和TRPL，至少应控制或记录以下条件。

激发功率：载流子密度变化会改变单分子、双分子、陷阱辅助等过程的相对权重。

激发波长：会改变吸收深度与载流子初始分布，对上界面、下界面的敏感度可能不同。

检测波长：不同发光组分的动力学可能不同，检测窗口变化会改变拟合结果。

温度与环境：温度、湿度、氧气以及光照历史都可能改变缺陷、离子迁移和发光动力学。

薄膜厚度与光学几何：再吸收、光子回收和收集效率会影响PLQY与表观衰减。

仪器响应与拟合方式：对于快速过程，应在拟合中考虑IRF；多指数拟合首先是数学描述，不能机械地把每个时间常数指定为一种界面机制。

只有当关键条件可比时，钝化前后的变化才具有可靠的比较意义。

图6. 影响钙钛矿界面非辐射损失判断的关键实验因素。

9. 局部界面差异：为什么平均PLQY和平均寿命仍可能不够？

钙钛矿薄膜并不一定在空间上均匀。晶粒、晶界、褶皱、局部覆盖差异和相分离区域可能具有不同的复合动力学。平均PLQY或单点TRPL有时会掩盖局部高损失区域。

2026年的宽带隙钙钛矿研究使用time-resolved PL mapping发现，对照薄膜的谷区寿命明显低于丘区，而处理后寿命在整个区域内更均匀。这类空间信息可以回答一个平均寿命无法回答的问题：钝化是整体发生，还是只改善了部分区域。[3]

因此，当研究对象存在明显的空间非均匀性时，可以进一步考虑PL mapping、时间分辨mapping或FLIM，把“效率—时间—空间”三个维度结合起来。

10. 更合理的实验路径：从“证明钝化”转向“建立证据”

一个更稳妥的界面研究流程，可以从研究问题出发，而不是直接追求某个更大的寿命数值。

第一步，明确比较对象。要区分裸钙钛矿薄膜、钙钛矿/传输层堆栈和完整器件，因为三者包含的动力学过程不同。

第二步，用稳态PL先看峰位、谱形和相对强度，排除明显的相变化或新发光组分。

第三步，用绝对PLQY判断整体非辐射损失是否改善，并在光伏研究中结合相应模型进一步讨论QFLS或非辐射电压损失。

第四步，用TRPL观察复合/抽取动力学怎样变化。不要只比较一个平均寿命，还应关注检测波长、激发密度、拟合模型和必要的IRF处理。

第五步，将PLQY与TRPL放在同一实验背景下联合判断。如果两者变化方向与预期不一致，应优先寻找抽取、界面转移、光学效应或多过程并存等替代解释。

第六步，必要时增加TRES、TA、空间发光表征、UPS/KPFM或电学测试。多种独立证据共同指向同一解释时，界面机制判断才更可靠。

图7. 钙钛矿界面研究中PLQY与TRPL的建议实验路径。

11. 常见误区：这几句话为什么需要谨慎？

“寿命变长，说明界面缺陷减少。”——可能成立，但不能脱离PLQY、样品结构和激发条件直接下结论。

“TRPL变短，说明非辐射复合增强。”——不一定。传输层存在时，更快的载流子抽取同样会使PL衰减加快。

“PLQY高，说明界面一定没有缺陷。”——PLQY是整体效率指标，不能直接给出缺陷类型和空间分布。

“多指数拟合中的每个寿命都对应一种缺陷。”——多指数首先是数学模型，物理归属需要独立证据。

“钝化前后只要PL更亮就足够。”——PL强度受吸收、激发和收集几何影响，绝对PLQY与可比测试条件更适合用于效率比较。

12. 总结

界面非辐射损失是钙钛矿材料从“高质量薄膜”走向“高性能器件”时必须面对的问题。PLQY与TRPL的联合价值在于：一个提供稳态发光效率信息，一个提供时间动力学信息。两者结合，可以更有效地区分“非辐射损失减少”“载流子抽取改变”“多过程重分配”等不同情形。

真正可靠的界面钝化判断，不是寿命越长越好，也不是PLQY越高就足够，而是效率、动力学、样品结构和实验条件是否能够形成一致、可验证的科学解释。

13. 相关设备

东谱科技光电一体化时间分辨光谱仪HiLight 990是一款光致与电致、稳态与瞬态一体化时间分辨光谱仪，用于关联发光材料机理和器件工作态研究。系统可完成PL、TRPL、TRES、稳态EL与时间分辨EL测试。适用于OLED、钙钛矿、量子点、长余辉材料和近红外发光器件的光谱与动力学分析。TADF、室温磷光、长余辉、钙钛矿、OLED和近红外发光研究需要跨越皮秒至秒级时间尺度，并同时比较材料PL与器件EL。HiLight 990适合分析延迟发光、激发态转化、载流子复合及驱动条件对发射光谱和寿命的影响。

官网链接：https://www.orientalspectra.com/ProductDetail/7086231.html

参考文献

[1] Pan Y., Wang J., Sun Z., et al. Surface chemical polishing and passivation minimize non-radiative recombination for all-perovskite tandem solar cells. Nature Communications, 2024, 15: 7335. DOI: 10.1038/s41467-024-51703-0.

[2] Artuk K., Oranskaia A., Turkay D., et al. 60 cm2 perovskite-silicon tandem solar cells with an efficiency of 28.9% by homogeneous passivation. Nature Communications, 2025, 16: 8672. DOI: 10.1038/s41467-025-63673-y.

[3] Jiang R., Yun Y., Sun K., et al. Crystallization modulation for wide-bandgap perovskites with universal defect passivation toward efficient perovskite/organic tandem photovoltaics. Nature Communications, 2026, 17: 1375. DOI: 10.1038/s41467-025-68125-1.

[4] Analysis of Photocarrier Dynamics at Interfaces in Perovskite Solar Cells by Time-Resolved Photoluminescence. The Journal of Physical Chemistry C, 2018, 122: 26805-26815. DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b07069.

[5] Charge Carrier Recombination at Perovskite/Hole Transport Layer Interfaces Monitored by Time-Resolved Spectroscopy. ACS Energy Letters, 2021. DOI: 10.1021/acsenergylett.1c01931.

[6] Taddei M., et al. Interpreting Halide Perovskite Semiconductor Photoluminescence Kinetics. ACS Energy Letters, 2024, 9: 2508-2516. DOI: 10.1021/acsenergylett.4c00614.