关键词：太阳电池能量损失,Voc loss,辐射极限,非辐射复合,sEQE,EQE_EL,CT state,HiYield-ENGL

同样的带隙，为什么太阳电池的Voc 还能差很多？

从辐射极限、亚带隙响应到非辐射复合：把开路电压损失拆成一条可测量、可计算、可验证的证据链。

太阳电池的开路电压Voc 并不是由带隙Eg 单独决定的。

两个材料体系可以具有相近的光学带隙，却得到明显不同的Voc。真正拉开差距的，往往不是“Eg少了多少”，而是从理想辐射极限走向真实器件的过程中，亚带隙吸收、辐射复合和非辐射复合分别引入了多少额外电压损失。

因此，单独计算Eg/q − Voc 只能得到“总亏损”，却不能自动告诉我们损失发生在哪里。要把这个总差值进一步拆解，需要把EQE/吸收、敏感亚带隙响应、绝对发光效率和器件Voc 放到同一个detailed-balance / reciprocity 分析框架中。

这也是能量损失分析真正有价值的地方：不是给器件贴上一个“损失很大”或“损失很小”的标签，而是回答——哪些损失接近物理极限，哪些与材料和器件结构有关，哪些仍有明确优化空间。

1. 同样的Eg，为什么Voc 仍然可能相差很大？

光学带隙 Eg给出了光伏器件能够利用的基本能量尺度，但它并不等于真实器件能够输出的开路电压。

即使只考虑辐射复合，太阳电池的最大Voc 也会低于Eg/q。原因在于太阳辐射与器件热辐射之间的详细平衡、有限温度下的熵增，以及实际吸收谱并非理想的阶跃函数。进一步进入真实器件后，带隙以下的弱吸收/弱EQE 响应和非辐射复合还会继续降低Voc。

因此，“同样的带隙”只意味着损失分析的起点相近，并不意味着损失分布相同。一个器件可能具有更陡峭的吸收边、更弱的亚带隙响应和更高的发光效率；另一个器件即使Eg 相同，也可能因为更明显的带尾、CT/缺陷相关低能响应以及更强的非辐射复合而得到更低的Voc。

这一点在强激子束缚、界面态和亚带隙响应较突出的有机光伏中尤其典型，但“Eg相近而 Voc不同”本身是更普遍的光伏问题。

图1.同样的带隙，为什么太阳电池的Voc 还能差很多？。原理/方法学示意，不代表特定样品实测数据。

2. 先区分“总电压亏损”和“损失分解”

最直观的总能量亏损可以写成E_loss = Eg − qVoc。它回答的是“从带隙能量到最终端电压一共少了多少”，但并不等于某一个单独的复合机制。

在常用的Shockley–Queisser / detailed-balance分解框架中，可进一步引入理想阶跃吸收条件下的Voc^SQ，以及由实际EQE/吸收谱决定、仅允许辐射复合时的Voc^rad。此时，在明确采用这一convention 的前提下，可写成：

ΔE1 = Eg − qVoc^SQ

ΔE2 = q(Voc^SQ − Voc^rad)

ΔE3 = q(Voc^rad − Voc)

于是 Eg − qVoc = ΔE1 + ΔE2 + ΔE3。

其中，ΔE1对应从 Eg 到SQ 辐射极限之间不可避免的热力学/辐射极限相关损失；ΔE2描述实际亚带隙响应等使辐射极限进一步下降的额外辐射损失；ΔE3则对应真实器件相对于辐射极限的非辐射电压损失。

这里有一个必须强调的边界：不同论文可能采用以CT state 为边界的另一套能量损失划分，因此ΔE1、ΔE2的编号和物理起点并不天然跨文献统一。后续比较数据时，应该先看公式和定义，再比较编号。

图2. 在SQ / detailed-balance 约定下理解三类Voc 损失。原理/方法学示意，不代表特定样品实测数据。

3. 为什么要测到很弱的亚带隙EQE？

计算 Voc^rad时，真正敏感的不是只有主吸收峰，而是EQE 光谱的低能尾部。

详细平衡中，辐射暗饱和电流J0,rad 由器件的光谱响应与环境黑体辐射共同决定。黑体光子通量在较低光子能量区域呈指数变化，因此即使亚带隙EQE 很弱，只要低能尾部延伸得更深，也可能显著增加J0,rad，并进一步拉低Voc^rad。

这就是为什么普通EQE 足以回答“器件在哪个波段产生光电流”，却未必足以完成高可信度的voltage-loss analysis。对于需要分析带尾、弱缺陷吸收或CT 相关亚带隙响应的体系，高灵敏度EQE / sensitive-EQE 往往更重要。

但亚带隙响应不能自动被解释为CT 态。它也可能来自无序带尾、缺陷、杂质、聚集态或其他低能跃迁。只有当材料体系本身存在可解析的donor–acceptor CT 态，并且光谱模型、温度依赖或其他证据能够支持时，才适合进一步进行CT-state fitting。

图3.亚带隙响应为什么会拉低辐射极限Voc？。原理/方法学示意，不代表特定样品实测数据。

4. 绝对EL 为什么能够约束非辐射损失？

如果一个太阳电池在电注入条件下能够高效发光，意味着注入电子和空穴复合时有较大比例通过辐射通道回到基态；反之，EL外量子效率很低，则说明非辐射通道占比更高。

在光伏互易关系（reciprocity）和detailed-balance 条件适用时，器件的电致发光外量子效率EQE_EL 与额外非辐射电压损失之间可写成：

ΔV_nr = −(k_B T / q) ln(EQE_EL)

相应的能量形式为ΔE3 = qΔV_nr = −k_B T ln(EQE_EL)。

因此，在相同温度和适用条件下，EQE_EL越低，额外非辐射电压损失越大；EQE_EL提升，则意味着真实Voc 更接近其辐射极限Voc^rad。

这条关系非常有用，但不能被继续过度解释为“测到ΔV_nr 就知道是哪一种缺陷”。非辐射损失可以来自界面复合、缺陷、振动耦合、CT态非辐射衰减等多种路径。EQE_EL给出的是总的非辐射电压惩罚，具体机制仍需要材料、光谱和动力学证据进一步约束。

图4. 绝对EL 如何约束非辐射电压损失。原理/方法学示意，不代表特定样品实测数据。

5. 什么时候需要把CT 态放进能量损失模型？

CT state 在 donor–acceptor型有机光伏中具有特殊重要性，因为光生局域激发态（LE）通常需要经过界面电荷转移过程形成可分离电荷，而CT 态能量与局域激发态之间的能量差会影响电荷产生驱动力和电压损失。

在适用体系中，低能sensitive-EQE 与 EL光谱可以被联合用于约束CT 相关吸收和发射，再结合相应模型估计E_CT 或 LE–CT energetic offset。现代非富勒烯受体体系中，LE与 CT态还可能发生明显耦合或杂化，因此实验光谱并不一定出现一个孤立、清晰的“CT峰”。

这也是为什么E_CT 不能被理解成仪器直接读取的、材料无关的固定参数。不同技术可能探测不同物理量，2026年关于有机太阳电池energetic offset 的专门综述也强调：UPS、电化学、Voc-T、ELQY-T等方法得到的“offset”可能并不等价。

因此，CT-state analysis 应被视为特定体系下的扩展模型，而不是所有太阳电池energy-loss analysis 的必选步骤。

图5.什么时候需要引入CT 态来解释能量损失？。原理/方法学示意，不代表特定样品实测数据。

6. 从“损失更小”到“材料真的更好”，还需要一条验证链

如果一种新材料、界面处理或工艺让Voc 提升，仅凭最终Voc 还不足以说明究竟是哪一类损失降低了。

更可靠的比较方式是同时检查几组实验量：

(1) 看EQE/吸收边是否发生变化。若主吸收边位置基本不变，可以排除“只是Eg 改变”造成的表观Voc 提升。

(2) 看sensitive-EQE 的亚带隙尾是否减弱。若低能响应明显降低，同时计算得到的Voc^rad 上升，说明额外辐射损失得到抑制。

(3) 看绝对EL / EQE_EL 是否提高。如果EQE_EL 增强并对应更小的ΔV_nr，则说明非辐射复合损失确实减少。

(4) 再看最终器件Voc、Jsc、FF和 PCE是否同步受益。如果多个实验量沿同一物理方向变化，才更适合把“损失降低”归因到具体的材料、界面或工艺优化。

当前高效率有机光伏已经进入一个更复杂的阶段：降低voltage loss 仍然重要，但过小的energetic offset 又可能使自由电荷产生更依赖电场、进而限制FF。2026 年Nature Photonics 对这一Voc–FF trade-off 的研究说明，器件优化的目标并不是把某一个loss 数字无限压低，而是同时兼顾电荷产生、复合、输运和提取。

图6.怎样把“损失降低”变成一条可验证的实验链？。原理/方法学示意，不代表特定样品实测数据。

7. 能量损失分析真正解决的，是“哪里还能优化”

能量损失分解最有价值的输出，不是ΔE1、ΔE2、ΔE3三个数字本身，而是把这些数字与材料和器件变化建立对应关系。

如果主要差异来自ΔE2，就应该优先检查吸收边、亚带隙尾、无序和界面低能态；如果ΔE3 占主导，则需要把注意力转向非辐射复合、界面钝化、分子振动耦合、发光效率和复合动力学。如果两个器件总E_loss 接近，但分解结果不同，它们的优化方向也可能完全不同。

这也是为什么损失分析必须强调“输入数据—模型—输出”的完整链条。EQE、EL、PL、Voc等是实验量；ΔE1/ΔE2/ΔE3、E_CT、ΔE_rad、ΔE_nonrad等则是在具体定义、模型和适用假设下得到的分析结果。把两者混为一谈，容易制造一种“仪器直接测出多个独立损失通道”的错误印象。

8. 结语

把“损失数字”变成“优化方向”

对于专业光伏研究，真正需要回答的不是“这个器件的能量损失是多少”，而是：这个损失数字是怎样得到的？它包含哪些物理项？哪些结论来自直接实验，哪些来自模型？模型适用于什么材料体系？

当这些边界都被写清以后，能量损失分析才不仅是一张漂亮的分解图，而是一种能够指导材料设计、界面优化和器件结构迭代的定量工具。

9. 相关设备

太阳能电池能量损耗测试系统HiYield-ENGL

HiYield-ENGL是一款太阳能电池电致发光与非辐射损耗诊断平台，用于通过EL光谱、EL外量子效率及光伏参数分析器件效率损失。系统主要用于识别非辐射复合和电压损失来源。适用于钙钛矿、有机、薄膜及高效率太阳能电池的损耗分解和器件优化。高效率钙钛矿、有机和薄膜太阳能电池越来越重视非辐射复合、电压亏损和接近辐射极限的程度。HiYield-ENGL利用绝对EL与电学数据分析外部辐射效率和非辐射电压损失，帮助判断界面、体相和接触层的改进效果。

(1) 集成太阳能电池EL光谱与电致发光外量子效率测量，支撑器件损耗分析。

(2) 光谱覆盖300-1050/300-1800 nm，波长分辨率达到0.25 nm，适配主流薄膜和晶硅光伏材料。

(3) 可结合AAA模拟光源下的开路电压及EQE数据，对器件效率损耗进行关联分析。

(4) 围绕发光、外量子效率和电学参数建立太阳能电池专用分析流程。

(5) 绝对EL数据与Voc、EQE等光伏参数结合，可量化外部辐射效率和非辐射电压损失。

(6) 非辐射电压损失测量不确定度控制在10 mV级，弱EL信号覆盖至少6个数量级，并支持叠层子电池分波段分。

HiYield-ENGL

参考资料

1. W. Shockley, H. J. Queisser. Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells. Journal of Applied Physics 32, 510–519 (1961).

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9. Oriental Spectra. 太阳电池能量损耗分析仪HiYield-ENGL 官方产品资料，访问于2026 年。