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
