QFLS在太陽能光伏研究中的應(yīng)用與價(jià)值

在太陽能光伏材料研究中，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂(QFLS)已成為解析器件物理與優(yōu)化性能的關(guān)鍵指標(biāo)。它量化光生載流子的化學(xué)勢(shì)能差異，直接揭示材料內(nèi)部的輻射與非輻射復(fù)合損失。這些損失決定了太陽能電池開路電壓(VOC)的極限。

QFLS的核心價(jià)值：量化能量損失與識(shí)別根源

理想情況下，QFLS數(shù)值應(yīng)該與器件的外部VOC相等。但實(shí)際太陽能電池中，接觸點(diǎn)、傳輸層以及材料缺陷導(dǎo)致電化學(xué)勢(shì)損失，使得實(shí)際VOC低于理論QFLS。這種QFLS與VOC的不匹配，就是電壓損失的來源。

QFLS測(cè)量直接量化輻射與非輻射復(fù)合損失，特別是非輻射復(fù)合會(huì)導(dǎo)致QFLS偏離其輻射極限值。這為識(shí)別電壓損失根源提供依據(jù)——究竟是材料本身的體內(nèi)復(fù)合，還是界面問題。

具體案例分析

錫鉛鈣鈦礦研究：牛津大學(xué)Henry J. Snaith教授和河南大學(xué)李萌教授隊(duì)在添加半胱胺酸鹽酸鹽(CysHCl)的研究中[1]，通過QFLS mapping(圖3e)發(fā)現(xiàn)，添加CysHCl后錫鉛鈣鈦礦薄膜的QFLS值提升，且空間分布更均勻。結(jié)果表明CysHCl鈍化了材料缺陷，降低了非輻射復(fù)合。

器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化：青島科技大學(xué)周忠敏教授和岳芳教授團(tuán)隊(duì)研究增強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)QFLS赤字的影響[2]。圖1d展示不同半堆疊器件的PLQY測(cè)量QFLS數(shù)據(jù)，證實(shí)優(yōu)化鈣鈦礦/FPD結(jié)構(gòu)能抑制QFLS赤字。該抑制機(jī)制通過增強(qiáng)載流子分離和提取效率實(shí)現(xiàn)。

快速檢測(cè)技術(shù)：光焱科技EnlitechQFLS-Maper檢測(cè)設(shè)備能在3秒內(nèi)獲得QFLS視覺圖，快速呈現(xiàn)材料整體準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分布，直觀識(shí)別材料的優(yōu)劣與缺陷分布，加速材料篩選和優(yōu)化過程。

QFLS對(duì)器件優(yōu)化與材料選擇的指導(dǎo)作用

QFLS量化后，研究人員可以辨識(shí)電壓損失瓶頸，指導(dǎo)器件設(shè)計(jì)和材料選擇。它評(píng)估不同傳輸層材料的影響，以及薄膜在不同處理階段的表面性質(zhì)變化。

傳輸層優(yōu)化：阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Stefaan De Wolf教授團(tuán)隊(duì)利用QFLS mapping(圖3d–f)和QFLS分布直方圖(圖3g)[3]，比較窄帶隙鈣鈦礦在不同ITO/SAM基板上的QFLS值。結(jié)果揭示了不同SAM對(duì)QFLS分布的影響，為空穴傳輸層優(yōu)化提供指導(dǎo)。

復(fù)合機(jī)制分析：Universit?t Potsdam的Dieter Neher教授團(tuán)隊(duì)指出[4]，測(cè)量QFLS能有效評(píng)估鈍化分子和電荷傳輸層的電壓潛力。研究表明，即使VOC會(huì)因離子遷移或電極/輸送層界面復(fù)合而飽和，QFLS仍然忠實(shí)反映材料本身的復(fù)合機(jī)制，是評(píng)估材料固有品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)。

光焱科技QFLS-Maper具備快速分層QFLS測(cè)試功能，能夠逐層分析各層材料（如HTL、電子傳輸層ETL）對(duì)整體組件性能的影響，幫助研究人員了解各層材料的優(yōu)劣，進(jìn)而在材料制備過程中實(shí)時(shí)掌握材料效果，大幅縮短研發(fā)時(shí)程。

QFLS在評(píng)估電荷載流子濃度與復(fù)合動(dòng)力學(xué)中的作用

QFLS直接反映電荷載流子濃度和復(fù)合速率。通過QFLS測(cè)量，可以判斷載流子壽命、摻雜濃度等因素對(duì)器件性能的影響。

摻雜濃度研究：盧森堡大學(xué)Damilola Adeleye教授團(tuán)隊(duì)深入研究了摻雜濃度對(duì)QFLS的影響[5]，并從QFLS和載流子壽命的測(cè)量中估算出摻雜濃度。文獻(xiàn)中的(圖3a)清楚展示了QFLS和載流子壽命隨Cu/In比以及不同生長(zhǎng)溫度的變化。研究強(qiáng)調(diào)了QFLS直接反映電荷載流子濃度和復(fù)合速率的能力，有助于研究人員深入理解載流子行為，進(jìn)而精確調(diào)控材料性能。

光焱科技QFLS-Maper結(jié)合了PLQY、EL-EQE和in-situ PL等多模態(tài)功能，為載流子動(dòng)力學(xué)研究提供了全面的數(shù)據(jù)支持，幫助研究人員精確判斷載流子壽命、摻雜濃度等因素對(duì)器件性能的影響。

QFLS在發(fā)表研究成果中的幫助

在學(xué)術(shù)發(fā)表中，QFLS數(shù)據(jù)的運(yùn)用能顯著提升論文的說服力和深度。它提供量化電壓損失的精確數(shù)據(jù)，還能將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論效率限制進(jìn)行對(duì)比，從而突出研究成果的潛力。

理論極限分析：阿爾及利亞巴特納大學(xué)Hichem Bencherif團(tuán)隊(duì)通過公式將光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）與QFLS關(guān)聯(lián)起來[6]，指出QFLS可以定義理論效率極限。文獻(xiàn)中的(圖3e)展示了鈣鈦礦薄膜的QFLS結(jié)果及其分布直方圖，用以評(píng)估效率損失。這為報(bào)告器件接近理論極限的潛力提供了有力證據(jù)，證明了2D/3D異質(zhì)結(jié)構(gòu)在提高效率方面的優(yōu)勢(shì)。

老化機(jī)制研究：德國(guó)愛爾朗根-紐倫堡大學(xué)Christoph J. Brabec教授團(tuán)隊(duì)利用QFLS(圖4a)評(píng)估不同層堆疊下非輻射損失的變化[7]，發(fā)現(xiàn)體內(nèi)復(fù)合是全器件非輻射損失的主要來源。即使有穩(wěn)定的傳輸層，體內(nèi)缺陷的形成仍然是影響長(zhǎng)期穩(wěn)定性的主要因素。這種QFLS的定量分析為深入理解器件老化機(jī)制提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對(duì)開發(fā)更穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池至關(guān)重要。

提供普適性基準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可比性

QFLS作為一個(gè)絕對(duì)的、有量綱的物理量，提供了一個(gè)普適性基準(zhǔn)，使得來自不同組分和不同實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果都能在同一基準(zhǔn)上進(jìn)行比較。這對(duì)學(xué)術(shù)交流和研究標(biāo)準(zhǔn)化具有重要意義。

多材料對(duì)比研究：英國(guó)牛津大學(xué)Henry J. Snaith和Shuaifeng Hu教授團(tuán)隊(duì)通過QFLS mapping(圖3a)[8]，評(píng)估了不同溶液制備的Sn-Pb鈣鈦礦薄膜的光電性能。研究顯示，PhA（磷酸）處理的薄膜有著更均勻的QFLS分布和更高的平均值，證明了添加劑對(duì)材料品質(zhì)的提升作用。這類QFLS數(shù)據(jù)的引入，使得不同材料和制程的優(yōu)劣能夠被客觀比較。

光焱科技QFLS-Maper具備QFLS、PLQY、iVoc等多模態(tài)功能，提供了標(biāo)準(zhǔn)化且高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)，其PLQY靈敏度可達(dá)6個(gè)數(shù)量級(jí)（1E-4%），確保了測(cè)量準(zhǔn)確性和國(guó)際接受度，極大地有利于論文發(fā)表和跨實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的比較。

預(yù)測(cè)器件性能與篩選材料

QFLS及其衍生的偽J-V (pseudo J-V) 曲線，能有效地預(yù)測(cè)器件潛力，在器件實(shí)際制造之前進(jìn)行材料篩選，大幅節(jié)省研發(fā)成本與時(shí)間。

性能預(yù)測(cè)技術(shù)：荷蘭恩荷芬理工大學(xué)René A. J. Janssen教授團(tuán)隊(duì)將QFLS光強(qiáng)度依賴數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為偽J-V曲線(圖4b)，并從中得出偽填充因子（pFF）(圖4d)和偽功率轉(zhuǎn)換效率（pPCE）(圖4e)[9]。

Kessels等學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)，精準(zhǔn)測(cè)量了鈣鈦礦薄膜在不同GlyHCl濃度下的準(zhǔn)費(fèi)米能階分裂（QFLS）值。他們將光強(qiáng)度依賴的QFLS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為偽J-V曲線，這種轉(zhuǎn)換通過利用光電流密度與光強(qiáng)度的正比關(guān)系，并將QFLS作為電壓來實(shí)現(xiàn)。

從這些偽J-V曲線中，研究團(tuán)隊(duì)推導(dǎo)出偽填充因子（pFF）和偽功率轉(zhuǎn)換效率（pPCE）。這些衍生參數(shù)雖然不直接代表最終器件的實(shí)際J-V性能（因?yàn)楹雎粤穗姾蓚鬏敁p失），但能有效排除器件制備中的傳輸損失，更純粹地反映鈣鈦礦材料本身的內(nèi)在光電品質(zhì)與潛力。

GlyHCl添加劑效應(yīng)研究：通過QFLS及其衍生參數(shù)的深入分析，Kessels等學(xué)者的研究清晰揭示了GlyHCl對(duì)鉛錫基鈣鈦礦材料的積極作用：

• 抑制非輻射復(fù)合：在添加1-2 mol% GlyHCl的鈣鈦礦薄膜中，QFLS值從886 meV提升至898-900 meV

• 改善晶體品質(zhì)：GlyHCl延緩前驅(qū)體溶液中Sn2+的氧化，改善鈣鈦礦的晶粒尺寸分布和結(jié)晶品質(zhì)

• 延長(zhǎng)載流子壽命：載流子半衰期從0.7 μs增至1.5 μs

• 提升器件性能：VOC從0.69 V提升至0.81 V，FF從71%提升至78%

• 增強(qiáng)穩(wěn)定性：添加2或4 mol% GlyHCl能顯著提升器件在連續(xù)光照下的穩(wěn)定性

光焱科技QFLS-Maper能在最快2分鐘內(nèi)預(yù)測(cè)材料的偽J-V曲線，從理論層面評(píng)估材料的效率潛力，大大縮短實(shí)驗(yàn)周期，并且能將預(yù)測(cè)結(jié)果可視化呈現(xiàn)，讓研究者能夠一目了然。

驗(yàn)證理論模型與模擬結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的QFLS數(shù)據(jù)，能夠?yàn)榈谝恍栽碛?jì)算（DFT）和漂移擴(kuò)散（drift-diffusion）模擬等提供關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，確保理論模型的準(zhǔn)確性。

界面工程驗(yàn)證：阿卜杜勒阿齊茲國(guó)王科技城學(xué)者Masaud Almalki等人在研究中明確指出[10]：「SCAPS模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的成功校準(zhǔn)，證明了表面復(fù)合速度在提高器件效率方面的關(guān)鍵作用。長(zhǎng)鏈烷基銨鹽的使用表明表面復(fù)合速度降低，進(jìn)而減輕了VOC-QFLS失配」。

他們系統(tǒng)性地引入不同鏈長(zhǎng)的烷基銨碘化物作為表面鈍化劑，利用能量帶圖解釋了QFLS和VOC的關(guān)系，其模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察一致，即鈍化處理能有效抑制界面復(fù)合，提升QFLS(圖7a,b)。

器件建模驗(yàn)證：美國(guó)First Solar研究團(tuán)隊(duì)在Supporting Information中展示了E-Solver模擬器與SCAPS-1D模擬器在帶圖和QFLS/q–VOC差異方面的對(duì)比[11]，結(jié)果高度一致，誤差極小(圖S1A,B和圖S2A,B)。這類對(duì)比證明了QFLS在驗(yàn)證數(shù)值模擬和理論計(jì)算準(zhǔn)確性方面的重要性，為半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)提供了可靠的理論基礎(chǔ)。

第一性原理計(jì)算：韓國(guó)技術(shù)學(xué)院Yong-Hoon Kim與Juho Lee, Hyeonwoo Yeo等學(xué)者報(bào)導(dǎo)了從第一性原理計(jì)算中提取納米級(jí)結(jié)點(diǎn)的QFLS剖面圖[12]，并探討其與有限偏壓下電荷傳輸?shù)年P(guān)聯(lián)性(圖4A,B)。藉由第一性原理計(jì)算QFLS，研究人員可以在實(shí)際合成或制造新材料和器件之前，預(yù)測(cè)其在不同偏壓和激發(fā)條件下的電學(xué)行為和電壓潛力。這縮短了研發(fā)周期，并能夠系統(tǒng)性地探索材料設(shè)計(jì)空間。

結(jié)論

QFLS及其mapping技術(shù)已成為太陽能光伏研究的工具。它提供量化能量損失、指導(dǎo)材料選擇和優(yōu)化器件設(shè)計(jì)的精確數(shù)據(jù)，更在學(xué)術(shù)發(fā)表中扮演著關(guān)鍵角色。通過QFLS數(shù)據(jù)，研究人員能更深入地理解光伏材料的內(nèi)在物理機(jī)制，驗(yàn)證理論模型，并為開發(fā)更高效、更穩(wěn)定的太陽能電池提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)。這項(xiàng)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展與應(yīng)用，將持續(xù)推動(dòng)太陽能光伏技術(shù)的進(jìn)步，為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

1.         Hu, S., Sun, X., Liu, W., Gregori, L., Zhao, P., Pascual, J., Dallmann, A., Dasgupta, A., Yang, F., Li, G., Aldamasy, M., Turren-Cruz, S.-H., Flatken, M. A., Fu, S., Iwasaki, Y., Murdey, R., Hoell, A., Schorr, S., Albrecht, S., Yang, S., Abate, A., Wakamiya, A., De Angelis, F., Li, M., & Snaith, H. J. (2025). Accessing Metal-Containing Species in Tin–Lead Perovskite Precursor Solutions via Molecular Strategies Guided by the Hard–Soft Acid–Base Principle. Angewandte Chemie International Edition,64(34), 202514010.

2.         Cheng, J., Cao, H., Zhang, S., Shao, J., Yan, W., Peng, C., Yue, F., & Zhou, Z. (2024). Enhanced Electric Field Minimizing Quasi-Fermi Level Splitting Deficit for High-Performance Tin-Lead Perovskite Solar Cells. Advanced Materials,36(41), 202410298.

3.         Zhumagali, S., Li, C., Marcinskas, M., Dally, P., Liu, Y., Ugur, E., Petoukhoff, C. E., Ghadiyali, M., Prasetio, A., Marengo, M., Pininti, A. R., Azmi, R., Schwingenschl?gl, U., Laquai, F., Getautis, V., Malinauskas, T., Aydin, E., Sargent, E. H., & De Wolf, S. (2025). Efficient Narrow Bandgap Pb-Sn Perovskite Solar Cells Through Self-Assembled Hole Transport Layer with Ionic Head. Advanced Energy Materials,15(1), 202404617.

4.         Caprioglio, P., Stolterfoht, M., Wolff, C. M., Unold, T., Rech, B., Albrecht, S., & Neher, D. (2019). On the Relation between the Open-Circuit Voltage and Quasi-Fermi Level Splitting in Efficient Perovskite Solar Cells. Advanced Energy Materials,9(37), 201901631.

5.         Adeleye, D., Lomuscio, A., Sood, M., & Siebentritt, S. (2021). Lifetime, quasi-Fermi level splitting and doping concentration of Cu-rich CuInS2 absorbers. Materials Research Express,8(2), 025905.

6.         Aouni, Q., Kouda, S., Batoo, K. M., Ijaz, M. F., Sahoo, G. S., Bhattarai, S., Sasikumar, P., & Bencherif, H. (2025). Achieving Quasi-Fermi level splitting near its radiative limit in efficient and stable 2D/3D perovskite solar Cells: Detailed balance model. Solar Energy,286, 113144.

7.         Peng, Z., Wortmann, J., Hong, J., Zhou, S., Bornschlegl, A. J., Haffner-Schirmer, J., Le Corre, V. M., Heumüller, T., Osvet, A., Rand, B. P., Lüer, L., & Brabec, C. J. (2025). Locating Non-Radiative Recombination Losses and Understanding Their Impact on the Stability of Perovskite Solar Cells During Photo-Thermal Accelerated Ageing. Advanced Energy Materials,15(29), 202502787.

8.         Hu, S., Wang, J., Zhao, P., Pascual, J., Wang, J., Rombach, F., Dasgupta, A., Liu, W., Truong, M. A., Zhu, H., Kober-Czerny, M., Drysdale, J. N., Smith, J. A., Yuan, Z., Aalbers, G. J. W., Schipper, N. R. M., Yao, J., Nakano, K., Turren-Cruz, S.-H., Dallmann, A., Christoforo, M. G., Ball, J. M., McMeekin, D. P., Zaininger, K.-A., Liu, Z., Noel, N. K., Tajima, K., Chen, W., Ehara, M., Janssen, R. A. J., Wakamiya, A., & Snaith, H. J. (2025). Steering perovskite precursor solutions for multijunction photovoltaics. Nature,639(7925), 93–101.

9.         Kessels, L. M., Remmerswaal, W. H. M., van der Poll, L. M., Bellini, L., Bannenberg, L. J., Wienk, M. M., Savenije, T. J., & Janssen, R. A. J. (2024). Unraveling the Positive Effects of Glycine Hydrochloride on the Performance of Pb–Sn-Based Perovskite Solar Cells. Solar RRL,8(18), 202400506.

10.     Almalki, I. S., Alanazi, T. I., Aldoghan, L., Aldossari, N., Almutawa, F., Alzahrani, R. A., Alenzi, S. M., Alzahrani, Y. A., Yafi, G. S., Almutairi, A., Aldukhail, A., Alharthi, B., Aljuwayr, A., Alghannam, F. S., Alanzi, A. Z., Alkhaldi, H., Alhajri, F., Alhumud, H. S., Alqarni, A. A., Alotaibi, M. H., AL-Saleem, N. K., Alkahtani, M., Alanazi, A. Q., & Almalki, M. (2025). Molecular Engineering of Alkylammonium Interfaces for Enhanced Efficiency in Perovskite Solar Cells. Solar RRL,9(14), 202500389.

11.     Krasikov, D., Kuciauskas, D., ??ajev, P., Farshchi, R., McReynolds, K., & Sankin, I. (2024, September 16). Understanding ERE and iVOC metrics for graded CdSeTe absorbers. Authorea.

12.     Lee, J., Yeo, H., & Kim, Y.-H. (2020). Quasi-Fermi level splitting in nanoscale junctions from ab initio. Proceedings of the National Academy of Sciences,117(19), 10142–10148.