绝对光致发光如何得到QFLS/iVoc？广义Planck关系与光伏互易原理解析

绝对光致发光为什么能得到QFLS / iVoc？

QFLS（准费米能级分裂）描述光照或注入条件下电子与空穴准费米能级之间的能量差。把QFLS 除以元电荷q，可得到对应的暗指开路电压iVoc。绝对光致发光之所以能用于QFLS 测量，关键并不是“PL更亮”，而是绝对PL 把发射光子通量放入广义Planck 关系和光伏—发光互易框架中，与吸收、温度和载流子化学势差联系起来。[1,2]

图1. 从绝对 PL到 QFLS 的物理链条。

01 广义 Planck 关系如何连接PL 与 QFLS？

在准平衡条件下，半导体发光可写成吸收率a(E)、黑体光子通量φbb(E,T) 和化学势差Δμ 的函数。常见高能区近似为：

φPL(E) ≈ a(E) · φbb(E,T) · exp(Δμ/kBT)

其中 Δμ = QFLS。也就是说，绝对发光谱的强度中包含了电子—空穴化学势差的信息。[1]

图2. 广义 Planck关系。

02 相对 PL 为什么不能直接给出QFLS？

普通 PL 常以counts 或 a.u.表示，适合比较峰位、谱形和同条件下的趋势。但其强度还受到积分时间、光路、探测器响应和收集立体角影响。没有绝对光子数校准时，counts不能唯一对应载流子化学势差。

图3. 相对与绝对PL。

03 QFLS 有哪两条常用计算路径？

一类方法直接对绝对PL 光谱进行广义Planck 拟合；另一类方法先得到绝对PLQY，再通过

QFLS = kBT ln(PLQY × JG / J0,rad)

计算 QFLS。[3–5]两条方法都要求温度、生成率和光学输入自洽。

图4. 两条求解路径。

04 为什么还需要吸收率或EQE？

吸收率 / EQE决定辐射暗电流J0,rad。由于黑体光子通量在带边区域对低能尾部非常敏感，带边和亚带隙响应的小差异可能带来不同的J0,rad，从而影响QFLS。因此，吸收/ EQE 不是“附加数据”，而是QFLS 定量链条的一部分。

图5. 吸收与 EQE输入。

05 做跨样品比较，哪些条件必须锁住？

至少应控制等效载流子生成率、样品温度、稳态条件、收集几何、空间均匀性和动态范围。尤其对于钙钛矿，离子迁移、光浸泡和相分离会让PL 随时间变化；不同状态下得到的QFLS 不能当成同一把尺子。[6–8]

图6. QFLS 可比性条件。

06 QFLS 能说明什么？

QFLS 可以较稳妥地比较材料或层堆栈的内部电压潜力和总非辐射损失；与Voc 比较时，还可以判断完整器件是否存在额外端电压损失。但QFLS 本身通常不能唯一证明某个缺陷或某一界面就是损失根源，机制归因仍需要J-V、能级、电势、TRPL或空间 mapping等独立证据。[3–5]

图7. QFLS 判读边界。

07 相关设备

准费米能级分裂测试仪 HiYield-QFLS

东谱科技准费米能级分裂测试仪 HiYield-QFLS是商业化准费米能级分裂测试仪。设备融合了一体化设计的理念，将众多高精度的功能模块集成于一个紧凑的机身之中，不仅节省了宝贵的实验空间，还通过减少设备间的冗余连接，显著提高了整体的稳定性和工作效率。测试功能包括：

(1)电致发光量子效率测量（EL）

(2)光致发光（材料）QFLS 测试（QFLSPL）

(3)电致发光（器件）QFLS 测试（QFLSEL）

(4)QFLSEL成像测试（QFLSEL-mapping）

(5)Pseudo-JV

(6)等效光伏特性测试（Equi-PV）

HiYield-QFLS

参考文献

[1] P. Würfel. The Chemical Potential of Radiation. Journal of Physics C: Solid State Physics, 1982, 15: 3967–3985. DOI: 10.1088/0022-3719/15/18/012.

[2] U. Rau. Reciprocity relation between photovoltaic quantum efficiency and electroluminescent emission of solar cells. Physical Review B, 2007, 76: 085303. DOI: 10.1103/PhysRevB.76.085303.

[3] M. Stolterfoht et al. The impact of energy alignment and interfacial recombination on the internal and external open-circuit voltage of perovskite solar cells. Energy & Environmental Science, 2019, 12: 2778–2788. DOI: 10.1039/C9EE02020A.

[4] Mismatch of Quasi–Fermi Level Splitting and Voc in Perovskite Solar Cells. Advanced Energy Materials. DOI: 10.1002/aenm.202303135.

[5] Bifunctional hole-shuttle molecule for improved interfacial energy level alignment and defect passivation in perovskite solar cells. Nature Energy, 2023. DOI: 10.1038/s41560-023-01249-0.

[6] S. Hu et al. Steering perovskite precursor solutions for multijunction photovoltaics. Nature, 2025, 639: 93–101. DOI: 10.1038/s41586-024-08546-y.

[7] Correlation of Band Bending and Ionic Losses in 1.68 eV Wide Band Gap Perovskite Solar Cells. Advanced Energy Materials, 2025. DOI: 10.1002/aenm.202404726.

[8] Scalable solution soaking quenching technique unlocks efficient and durable wide bandgap perovskite solar modules. Nature Communications, 2026. DOI: 10.1038/s41467-026-69264-9.