QFLS–Voc mismatch诊断：内部电压潜力高，为何器件Voc仍偏低？

在光伏器件研究中，绝对PL 得到的QFLS/q 与完整器件实测Voc并不总是一致。这个差值不是简单的“光学和电学测量不一致”，而是一个重要的器件诊断信号：材料内部已经建立的电压潜力，在传递到完整器件端口的过程中，可能又受到界面、接触、能级、电势分布或加工边界的额外影响。

01 QFLS–Voc mismatch 诊断

(1)内部电压潜力

(2)器件端附加损失

(3)逐层证据链诊断

图1.QFLS/q、iVoc 与Voc 的关系。

02 QFLS/q、iVoc与 Voc 分别是什么？

QFLS 是电子与空穴准费米能级之间的化学势差，QFLS/q对应内部电压尺度。通过绝对光致发光和辐射参照，可进一步得到暗指开路电压iVoc，用于描述材料或层堆栈在给定边界下的内部开路电压潜力。

Voc 则是完整器件两端实际测得的开路电压，已经包含选择性接触、传输层、界面复合、电势分布和器件结构等影响。因此，QFLS/q更接近“内部能做到多高”，Voc更接近“最终保留了多少”。

图2三个物理量的对象和边界。

03 为什么会出现QFLS–Voc mismatch？

在选择性接触、能级对齐和界面复合都得到良好控制时，完整器件Voc 可以接近内部QFLS/q。2019 年Stolterfoht 等的研究显示，高性能钙钛矿器件中二者可以接近，而较差器件中Voc 可能显著低于QFLS，并与能级失配和界面非理想性相关。

常见的 mismatch来源包括：

• 传输层 /吸收层界面非辐射复合；

• 选择性接触不足或能级对齐不佳；

• 载流子电导、接触和端口边界非理想；

• 从薄膜到完整器件的加工引入新损伤；

• PL 与器件比较时温度、生成率、吸收/EQE输入或空间区域不一致；

• 空间非均匀、移动离子和局部电势变化。

图3.QFLS–Voc mismatch 的常见来源。

需要特别注意：在严格开路零净电流的定义下，普通串联电阻Rs 不是直接Voc 压降的主要来源。更关键的是选择性接触、载流子部分电导、能级、电势和界面复合等端口非理想性。

04 一个更可靠的诊断顺序

图4.mismatch 的诊断顺序。

建议先确认样品对象、温度、生成率和绝对标定边界，再依次检查：

1. 裸膜或层堆栈的PL-QFLS 是否已经偏低；

2. 完整器件PL-QFLS / EL-QFLS 或 Voc是否在进入器件后继续下降；

3. J-V、Suns-Voc、EL与能级/电势信息是否支持接触或界面端损失；

4. 加工对照样品能否指出问题从哪一步开始出现。

这种顺序的核心是先回答“材料内部是否已经够好”，再回答“器件最终保留了多少”。

05 四种典型组合如何判断？

图5.四种 QFLS / Voc 组合。

• QFLS 高、Voc高：材料端和器件端都较好，后续可关注稳定性和一致性。

• QFLS 高、Voc偏低：典型器件端附加损失，优先检查界面、接触、能级和器件结构。

• QFLS 低、Voc也低：主要瓶颈首先在材料或层堆栈内部非辐射复合。

• QFLS 低、Voc相对保留：表示器件端没有再引入很大的额外下降，优化优先级仍可能在材料端。这里是相对保留示意，并不表示同一边界下Voc 可以高于QFLS/q。

06 为什么逐层样品特别重要？

图6.逐层样品定位mismatch。

只比较裸膜QFLS 与完整器件Voc，中间的信息缺口很大。更合理的是建立“裸膜、单界面、双界面层堆栈、完整器件PL/EL 与Voc”的逐层样品序列。这样可以观察内部电压在加入哪一层、哪一步工艺后开始下降，把一个总差值拆成材料端、界面端和器件端线索。

近年的宽带隙钙钛矿研究已经把这种思路用于界面优化：通过降低QFLS–Voc mismatch，可以把材料端的光学改善真正转化为器件端Voc 收益。稳定性研究还显示，老化时QFLS 可能保持而Voc 下降，增大的mismatch 可提示移动离子和器件电势边界变化，而不一定意味着材料缺陷本身同步恶化。

07 mismatch 能说明什么，不能说明什么？

图7.mismatch 的判读边界。

QFLS–Voc mismatch可以提示：器件端存在额外电压损失、材料潜力与器件输出之间存在落差，以及下一步应优先检查界面/接触/结构还是材料内部。

但它不能单独证明某一具体缺陷，也不能仅凭差值锁定某一个界面。真正的机制判断仍需要与J-V、Suns-Voc、EL、能级、电势、空间分布测试和工艺对照共同建立证据链。

08 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

产品信息：Oriental Spectra（东谱科技）HiYield-QFLS｜www.orientalspectra.com

参考文献

1. Stolterfoht M. et al. Energy & Environmental Science 12, 2778–2788 (2019). DOI: 10.1039/C9EE02020A.

2. Caprioglio P. et al. Nature Communications 14, 932 (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36141-8.

3. Warby J. H. et al. Advanced Energy Materials (2023). DOI: 10.1002/aenm.202303135.

4. Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01487-w.

5. Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08160-y.