前言

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其優異的光電轉換效率和制備工藝簡便性，已成為光伏領域的重要研究方向。然而，提升開路電壓（VOC）并確保長期穩定性仍是關鍵技術挑戰。空穴傳輸層（HTL）的材料特性和界面工程直接影響VOC和填充因子（FF）表現。近年來，準費米能級分裂（QFLS）映射和擬態電流-電壓（pseudo-JV）曲線等先進表征技術為HTL結構優化提供了有力的分析工具。

QFLS與開路電壓的關聯機制

QFLS定義為導帶電子準費米能級（EF,e）與價帶空穴準費米能級（EF,h）的能量差，反映光生載流子的化學勢能分布。理論上，QFLS應等于器件開路電壓（VOC = ΔEF/q），但實際器件中因接觸和傳輸層的電化學勢損失，兩者存在不匹配現象。通過測量QFLS，研究人員能直接量化太陽能電池的輻射與非輻射復合損失，精確識別電壓損失來源——區分材料體復合與界面問題的貢獻，為VOC優化和材料選擇提供量化依據。

取自：光焱科技Enlitech－QFLS準費米能級分裂技術指南：評估光伏材料性能上限 太陽能電池性能表征與效率提升的關鍵參數分析

HTL結構改質的研究進展

1.溴取代自組裝單分子層的界面工程

新加坡國立大學侯毅(Yi Hou)教授團隊（2025）在寬禁帶鈣鈦礦太陽能電池研究中，采用溴取代策略修飾自組裝單分子層（SAM）末端基團。研究顯示，DCB-Br-2處理能有效調控SAM與鈣鈦礦的界面相互作用和能級匹配，顯著減少非輻射復合并加速空穴提取。穩態光致發光（PL）和PL量子產率（PLQY）測量結果表明，DCB-Br-2處理后的鈣鈦礦薄膜展現最高PL強度和QFLS值，甚至超越裸鈣鈦礦薄膜，直接證明缺陷鈍化和空穴提取的改善效果。

取自：Surpassing 90% Shockley–Queisser VOC limit in 1.79 eV wide-bandgap perovskite solar cells using bromine-substituted self-assembled monolayers-Fig.3e

光強度依賴PL測量所提取的pseudo-JV曲線進一步驗證，DCB-Br-2能有效降低HTL/鈣鈦礦界面的偽填充因子（p-FF）損失。該研究在1.79 eV寬禁帶電池中實現1.37 V開路電壓，VOC損失僅0.42 V，超越Shockley-Queisser極限的90%，非輻射復合VOC損失降至0.13 V。

取自：Surpassing 90% Shockley–Queisser VOC limit in 1.79 eV wide-bandgap perovskite solar cells using bromine-substituted self-assembled monolayers-Fig.3c

2.QFLS與VOC不匹配的機制解析

德國波茨坦大學Dieter Neher教授團隊（2019）深入探討鈣鈦礦太陽能電池中QFLS與VOC的不匹配問題。研究發現，測得的QFLS顯著低于輻射極限，主要復合機制為非輻射復合，尤其集中在鈣鈦礦/電荷傳輸層界面。此不匹配源于能級偏移和界面復合加速。研究強調，外部VOC并不全反映吸收層復合機制，可能導致對復合行為的誤判。通過實驗與漂移-擴散模擬驗證，理想匹配且阻擋的傳輸層能避免VOC飽和并消除QFLS-VOC不匹配。

取自：On the Relation between the Open-Circuit Voltage and Quasi-Fermi Level Splitting in Efficient Perovskite Solar Cells-Fig.3

3.高光譜QFLS映射的界面損失可視化

意大利帕維亞大學Giulia Grancini教授團隊（2022）采用高光譜QFLS映射（Δμ映射）技術，可視化和量化反向結構鈣鈦礦太陽能電池界面的非輻射損失。該技術能直觀觀察不同有機鈍化劑（如苯乙基銨PEAI）對QFLS空間分布的影響，量化其對光伏性能的提升作用。QFLS映像清晰顯示界面缺陷的有效鈍化和非輻射復合的減少，為界面工程優化提供空間分布信息。

取自：Imaging and quantifying non-radiative losses at 23% efficient inverted perovskite solar cells interfaces-Fig.3a-f

4.雙功能聚合物添加劑的通用性改質

中科院青島生物能源與過程研究所逄淑平教授團隊（2024）開發了通用性雙功能聚合物添加劑，顯著提升鈣鈦礦太陽能電池QFLS，使VOC接近Shockley-Queisser理論極限。該添加劑通過同時鈍化陽離子和陰離子缺陷，將鈣鈦礦薄膜從強N型轉變為弱N型，優化能級匹配并有效抑制體非輻射復合。QFLS量化分析能直接評估不同處理方法對非輻射復合能量損失的貢獻，為材料設計提供精確指導。

取自：Enhanced Quasi-Fermi Level Splitting of Perovskite Solar Cells by Universal Dual-Functional Polymer- Graphical Abstract

QFLS-Maper技術在HTL開發中的應用

QFLS和pseudo-JV作為非接觸光電表征手段，能穿透復雜器件結構，直接揭示材料固有光電潛力及各層對整體性能的影響，避免傳統電學測量中接觸和傳輸層問題的干擾。

現代QFLS-Maper設備在HTL結構開發中提供三項核心功能：

1.QFLS分布映射：數秒內呈現材料QFLS空間分布圖像，直觀顯示樣品均勻性和缺陷密度。比較不同HTL結構（如傳統BCP與改質BCPS）的QFLS映射圖，可發現改質HTL顯著提升QFLS中心值（提升超過10 mV），并使QFLS分布的半高寬（FWHM）明顯變窄，直接反映界面復合抑制和材料均勻性改善。此可視化能力使研究人員快速識別界面缺陷分布，定量評估不同改質方法的效果。

2.擬態電流-電壓曲線：通過光強度依賴PLQY測量，兩分鐘內構建不受電極或傳輸層影響的pseudo-JV曲線，預測材料理論效率上限和潛在填充因子（pFF）。HTL結構改質后，若pseudo-JV曲線曲率趨于理想，預示器件FF將顯著提升。即使未完成完整器件制備，僅通過QFLS映像和pseudo-JV曲線，即可對HTL改質方案的VOC和FF潛力作出快速準確判斷，有效篩選具潛力的材料組合和工藝條件。

3.分層檢測能力：支持制備過程中不同階段（裸吸收層、吸收層/HTL堆棧、吸收層/電子傳輸層堆棧等）的QFLS和pseudo-JV測量。精準定位電荷復合損失的具體位置，理解每層材料對器件性能極限的影響，為界面工程和材料優化提供直接實驗依據。

技術展望

QFLS分裂映像與pseudo-JV曲線等表征技術正重塑光電薄膜材料的研發模式。這些技術深入揭示材料內在光電物理機制，特別在HTL結構改質領域，提供定量分析和預測能力。隨著先進表征工具的普及，太陽能電池研發效率將顯著提升，加速高性能、高穩定性光伏器件的商業化進程。

參考文獻

• Energy      & Environmental Science, 2025, Surpassing 90% Shockley-Queisser VOC      Limit in 1.79 eV Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells Using      Bromine-Substituted Self-Assembled Monolayers

• Advanced      Energy Materials, 2019, On the Relation between the Open-Circuit Voltage      and Quasi-Fermi Level Splitting in Efficient Perovskite Solar Cells

• Nature      Communications, 2022, Imaging and quantifying non-radiative losses at 23%      efficient inverted perovskite solar cells interfaces

• Advanced      Materials, 2024, Enhanced Quasi‐Fermi      Level Splitting of Perovskite Solar Cells by Universal Dual‐Functional Polymer

• Solar      RRL, 2021, Quantifying Quasi‐Fermi      Level Splitting and Open‐Circuit Voltage Losses in Highly      Efficient Nonfullerene Organic Solar Cells