QFLS技術解析鈣鈦礦電池非輻射損耗機製

1 背景與問題

鈣鈦礦太陽能電池因其高光電轉換效率而備受關注，但其開路電壓（）往往遠低於理論極限。造成這一差距的主要原因是非輻射複合損耗，這些損耗可能源於體相缺陷、表面陷阱或界面複合。然而，準確量化體相與界面各自的損耗貢獻一直是該領域的難題。傳統的電流-電壓（J-V）測試隻能提供宏觀性能參數，無法深入揭示損耗的物理位置和機製。為了突破這一瓶頸，研究人員急需一種能夠精確測量準費米能級分裂（QFLS）和光緻發光量子產率（PLQY）的先進測試技術，以區分材料本征質量與界面接觸特性對器件性能的影響。

2 核心方案

本論文《Defect/Interface Recombination Limited Quasi-Fermi Level Splitting and Open-Circuit Voltage in Mono- and Triple-Cation Perovskite Solar Cells》通過絕對光緻發光（PL）測量和電緻發光量子效率（）測試，深入對比了單陽離子（MAPI）和三陽離子鈣鈦礦電池的能量損耗機製。

研究團隊采用了以下核心測試技術：

(1) 絕對PL測量：直接測量薄膜、半器件及完整器件的準費米能級分裂（QFLS），量化非輻射電壓損失；

(2) 瞬態光緻發光（TRPL）：評估載流子壽命，分析體相複合動力學；

(3) 變溫PL測試：在低溫（20 K）下探測亞帶隙發射態，識別淺層陷阱；

(4) 光強依賴測試：通過隨光強的變化計算理想因子，判斷主導複合機製。

圖1. (a) 測量的電緻發光量子效率（EQEEL）與電壓的關系；(b) MAPI和三價陽離子器件的開路電壓與強度以及獲得的理想因子（nID）的關系；(c) MAPI和三價陽離子鈣鈦礦純膜的瞬態光緻發光測量及獲得的壽命。

3 實驗結果與分析

通過上述高精度測試手段，研究得出以下關鍵數據：

3.1 器件性能與QFLS對比

論文對比了MAPI與三陽離子鈣鈦礦的性能，發現三陽離子材料具有顯著更高的QFLS和更低的非輻射損耗。

3.2 損耗來源定位

研究進一步利用QFLS分層測量技術，將損耗解耦為體相損耗與界面損耗：

(1) MAPI體系：體相QFLS（1.122 eV）與器件接近，說明損耗主要源於體相和表面的陷阱態。變溫PL證實了MAPI中存在大量淺層陷阱態；

(2) 三陽離子體系：體相QFLS較高（1.231 eV），但加入傳輸層後QFLS顯著下降（降至1.137 eV），說明其體相質量較好，損耗主要源於界面複合。

圖2.塊體、界面和電極中的準費米能級分裂（QFLS）與開路電壓（VOC）損耗。MAPI塊體（黑星）和三價陽離子（紅星）獲得的QFLS受到塊體內非輻射複合損耗的影響（深黃色稀疏和密集線條分別表示）。在玻璃基底上的部分疊層電池（HTL/鈣鈦礦、鈣鈦礦/ETL以及p-i-n疊層）中，QFLS則受到額外界面複合損耗的影響（紫色稀疏和密集線條分別表示）。最後，p-i-n疊層的QFLS與完整電池的VOC之間的差異表明了金屬電極處存在複合損耗以及勢能匹配問題，盡管不匹配程度較小。

3.3 鈍化效果驗證

論文通過TOPO鈍化處理，成功將MAPI的QFLS從1.122 eV提升至1.2 V，證明了表面鈍化對提升體相質量材料性能的關鍵作用。

圖3.清潔的（a）MAPI鈣鈦礦薄膜和（b）三價陽離子鈣鈦礦在溫度依賴性下的光緻發光發射。下方熱圖分別顯示了（c）MAPI和（d）三價陽離子在不同溫度和波長下歸一化的峰值發射強度。

4 產品介紹

HiYield-QFLS

太陽能電池準費米能級分裂測量儀

HiYield-QFLS是一款太陽能電池準費米能級分裂與非輻射損耗專用測量平台，用於分析QFLS、隱含開路電壓、EL效率和等效光伏特性。系統可從材料、器件和空間分布三個層面定位損耗。適用於高效率鈣鈦礦、疊層和薄膜太陽能電池研發。QFLS、隱含開路電壓iVoc和非輻射電壓損失已成為高效率鈣鈦礦及疊層電池研究的關鍵指標，尤其適用於寬帶隙吸收層與界面鈍化分析。HiYield-QFLS可比較材料、半器件和完整器件，並通過mapping定位局部損耗。

4.1 技術特點

(1) 集成材料QFLS_PL、器件QFLS_EL、電緻發光量子效率、Pseudo-JV與Equi-PV等六類功能模塊；

(2) 支持不同輻照度下的QFLS掃描，並可選配QFLS_EL一維/二維mapping用於空間損耗定位；

(3) 采用532 nm輻照源，等效光強覆蓋0.001-11 sun，支持器件不同工作條件下的損耗研究；

(4) 自動測試多個子器件，並集成監控觀察和測溫模塊，提高批量測試與條件追溯能力；

(5) 光強掃描、材料/器件測量和一維/二維mapping可用於分析非輻射損失隨工作條件和空間位置的變化。

4.2 產品優勢

(1) 不是單一PL測量，而是將QFLS、iVoc、EL效率和等效JV關聯，直接服務太陽電池損耗診斷；

(2) 材料、器件與空間mapping三層分析能夠區分非輻射損耗來源並定位局部性能短板；

(3) 專用自動化流程降低QFLS模型與多設備數據拚接門檻，使前沿指標更易進入常規研發；

(4) QFLS、iVoc、光強掃描和mapping共同使用，可從材料、器件與局部區域多個層面分析非輻射損失來源。

綜上所述，QFLS分層測量成功將非輻射損耗解耦為體相與界面貢獻，為器件優化指明方向。東譜科技HiYield-QFLS系統是國內首款商業化QFLS測試設備，集成六大功能模塊，支持5μm分辨率的QFLSₑₗ-mapping空間損耗成像及0.001-11 sun光強掃描。配合UltraTran的DLTS與IS功能，可全面評估陷阱態與缺陷濃度。東譜科技緻力於構建完整的非輻射損耗分析鏈條。

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