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廖, 婉清 — Fri, 18 Apr 2025 09:31:56 +0000

PLQY与QFLS深入解析：预测光伏材料 iVoc 与 Pseudo J–V 极限

引言

随着新颖光伏材料（如钙钛矿太阳能电池、有机光伏(OPV)）的快速崛起，如何在早期研究阶段即评估材料的理论极限性能成为各研究机构与产业界的重要议题。传统评估太阳能电池性能的方式是制作完整器件并测量其J-V曲线，然而，此方式往往受到器件制备步骤、接口缺陷、接面质量、电阻损耗、封装稳定度等多重因素影响，无法快速与纯粹地探究材料本质之潜势。

近年来，一种以光致发光(Photoluminescence，PL)测量为基础，透过取得光致发光量子产率(PLQY)并推演准费米能级分裂(Quasi-Fermi Level Splitting， QFLS)的方法，已逐渐成为新型太阳能材料研究的重要工具。QFLS与预测出的iVoc（implied Open-Circuit Voltage）及pseudo J-V曲线，可作为材料内在极限性能的快速指针，有助于在材料研发初期识别具高潜力的组合，并为后续器件优化提供方向。

本篇文章将首先介绍相关学术理论基础、PLQY与QFLS之间的推导方法、QFLS对iVoc及pseudo J-V预测的意义。同时，我们将讨论优异的QFLS测量设备如何透过精准的光学与电学设计，协助研究者快速取得可靠的QFLS数据，并在光强动态范围、检测灵敏度、波长适用范围与数据重现性等方面展现独特优势。

学术理论基础——从PLQY到QFLS与iVoc

1. PLQY 与半导体载子复合机制深入探讨

在太阳能电池材料中，光子入射后产生电子-电洞对（e-h pairs）是光电转换的基础。这些载子在基态与激发态之间的分布，可藉由费米-狄拉克分布（Fermi-Dirac distribution）及详细平衡（Detailed Balance）理论进行描述。详细平衡理论假设在稳态条件下，所有激发和弛豫过程均达到平衡，这对于理解载子行为非常重要。

图片来源：

载子复合机制主要分为辐射性复合（Radiative Recombination）与非辐射性复合（Non-radiative Recombination）两大类。

辐射性复合是指电子与电洞复合时释放出光子的过程，其速率受材料的基本能隙与辐射特性所限制。辐射性复合可由以下方程序描述：
Rrad = Bnp

其中，Rrad为辐射复合率，B 为辐射复合系数，n 和 p 分别为电子和电洞的浓度。此处的 B 系数通常与材料的本质特性相关。

此外， Shockley-Read-Hall (SRH) 理论在此也扮演重要角色，SRH 理论指出当材料中存在缺陷或杂质时，载子会被捕捉到这些缺陷态，然后再发生辐射性复合。

非辐射性复合，则指电子与电洞复合时，能量以热或声子等形式释放，而不产生光子。

非辐射复合主要由以下几种机制主导：

缺陷态（Dangling bonds， Trap states）：材料中存在的悬键、晶格缺陷等会形成陷阱态，载子被捕获后会通过多声子发射等非辐射途径复合。这类复合过程可使用 SRH 理论加以描述，其复合率为：
RSRH = (np – ni²) / (τp(n+n1) + τn(p+p1))
其中，τn 和 τp 分别为电子和电洞的生命周期，n1 和 p1 为与缺陷态相关的载子浓度。此公式描述了缺陷态如何影响非辐射性复合速率。
俄歇（Auger）复合：在高载子浓度下，一个电子-电洞对复合时，能量会转移给第三个载子，使其激发到更高的能阶，然后再以非辐射的方式弛豫。Auger 复合的速率与载子浓度的三次方成正比：
RAuger = Cnn²p + Cpnp²其中，Cn 和 Cp 分别为电子和空穴的 Auger 复合系数。在高注入情况下，Auger 复合会成为主要的非辐射复合途径。

PLQY 的定义与量化

PLQY 的定义如下：
PLQY = Rrad / G

其中，G 为入射光子产生载子的速率。

更进一步的，PLQY 可以表示为辐射复合率与总复合率的比值：
PLQY = Rrad / (Rrad + Rnon-rad)

其中，Rnon−rad 为非辐射复合速率，包含 SRH 和 Auger 复合等。

透过测量 PLQY，我们可量化辐射与非辐射复合的相对比例。高 PLQY 值意味着材料中辐射复合通道占优势，非辐射复合通道相对较少。这表明材料质量优异，载子寿命较长，光电转换效率也相对较高。特别是在太阳能电池应用中，高 PLQY 代表着材料具有更高的理论开路电压（Voc）上限潜力，因为较少的非辐射复合损失会带来更高的 Voc。

PLQY 的重要性与应用

材料质量评估： PLQY 是评估半导体材料质量的重要指针。高 PLQY 代表材料结构缺陷少，能有效转换光能。
器件性能优化：在太阳能电池、LED 等光电器件中，PLQY 的提升直接关乎器件的效率。因此，通过实验优化材料制备条件，以获得更高的 PLQY 是研究的关键方向。
非辐射损失分析： PLQY 的测量结果可以帮助研究者理解材料中的非辐射损失机制，从而针对性地提出改善材料和器件性能的方案。例如，通过表面钝化、晶格工程等技术可以减少非辐射复合中心，提高 PLQY。
量化分析：藉由改变激发功率，我们可以得到材料的辐射复合与非辐射复合的相关信息，进一步探讨缺陷态或是其他非辐射损失机制。

总而言之，PLQY 不仅是衡量发光效率的指标，更是深入理解半导体材料中载子动力学与复合机制的关键工具。对于研究人员来说，掌握 PLQY 的测量与分析方法，是开发高效光电器件和探索新型半导体材料的基础。

2. 准费米能级分裂（QFLS）理论基础

在热平衡状态下且无外加电压时，半导体材料内的电子和电洞处于相同的费米能级（Fermi Level， EF）。

这表示系统处于热力学平衡，载子分布遵循单一的费米-狄拉克分布。然而，当半导体材料受到光照激发时，会产生过量的电子和电洞，此时电子和电洞不再共享同一费米能级，而是分别建立各自的准费米能级（Quasi-Fermi Levels），分别为电子准费米能级 (EFn) 和电洞准费米能级 (EFp)。

准费米能级的概念是为了描述非平衡状态下载子分布而引入的。在光激发下，电子和电洞的浓度远离热平衡值，因此无法用单一的费米能级来描述。电子准费米能级 (EFn) 代表着电子系统的化学势，而电洞准费米能级 (EFp) 代表着电洞系统的化学势。两者之间的差值，即准费米能级分裂 (ΔEF)，定义为：
ΔEF = EFn – EFp

这个准费米能级分裂 ΔEF 直接关联到半导体材料在光照下的电压响应。

在理想情况下，一个高效的光伏器件所能达到的开路电压 (Voc) 与 QFLS 密切相关。

图片来源:

然而，当有光照（光激发）时，就像有源源不断的雨水注入这个水库系统。光子激发产生了额外的电子和电洞，这使得我们需要将水库系统区分为两个独立的水库：一个是电子水库（对应电子准费米能级 EFn），另一个是电洞水库（对应电洞准费米能级 EFp）。

费米能级 (EF)：就像一个「共享水库」，代表着在热平衡状态下，电子和电洞共同的能量水平。水位是静止的，没有能量差。
准费米能级 (EFn 和 EFp)：就像两个「独立水库」，分别代表着在光照下，电子和电洞各自的能量水平。光照越强，注入的水越多，水库的水位就越高。
准费米能级分裂 (ΔEF=EFn−EFp)：代表电子水库和电洞水库之间的水位高度差，这个水位差决定了光伏器件能产生多少电压。

QFLS 与开路电压 (Voc) 的关系：电压的「水位差」

现在，我们把准费米能级分裂 ΔEF 想象成两个水库之间的水位差。

电子水库 (EFn) 的水位较高，而电洞水库 (EFp) 的水位较低。当我们让水从高水位流向低水位时（对应载子从电子侧流向电洞侧），就会释放出能量，这个能量就转化为电压。

理想情况下的开路电压 (Voc，ideal) 近似于这个「水位差」 (ΔEF) 除以电子电荷 (q)，就像计算水力发电时，水头高度对电压的影响:
Voc,ideal ≈ ΔEF / q = (EFn – EFp) / q

QFLS 与开路电压 (Voc) 的关系：

理想情况下的开路电压 (Voc) 近似于准费米能级分裂 (ΔEF) 除以电子电荷 (q)：

这个关系式源于半导体光伏器件的详细平衡分析（Detailed Balance Analysis），也就是广为人知的 Shockley-Queisser 理论框架。详细平衡理论指出，在稳态条件下，所有入射光子产生的载子必须与所有复合过程所消耗的载子达到平衡。而费米-狄拉克统计则描述了电子和电洞在各能阶的分布情况。

以下详细说明 QFLS 如何与 Voc 产生关联：

光激发下的载子浓度：光照下产生过量的电子和电洞，导致电子浓度 (n) 和电洞浓度 (p) 分别远离热平衡值 (n0 和 p0)。
准费米能级的定义：载子浓度与准费米能级的关系可以由以下方程序描述：
n = Nc exp((EFn – Ec) / (kBT))
p = Nv exp((Ev – EFp) / (kBT))其中，Nc 和 Nv 分别为导带和价带的有效态密度，Ec 和 Ev 分别为导带底和价带顶的能量，kB 为波兹曼常数，T 为温度。
开路条件：开路条件下，光生电流等于暗电流，即没有净电流流出器件。在此条件下，PN 接面的电压会达到一个稳定的值，这就是开路电压 (Voc)。
与能带弯曲的关联：准费米能级分裂 ΔEF 与 PN 接面区域的能带弯曲直接相关。在开路条件下，PN 接面的能带会发生弯曲，直到电子和电洞的准费米能级之间的差值等于接面上的电位差，也就是 Voc。
详细平衡的限制：根据详细平衡原理，光伏器件的开路电压 (Voc) 受辐射复合的限制。当非辐射复合占主导地位时，实际的 Voc 会远低于理想的 Voc 值，因此高 PLQY 材料在理想情况下有较高的 Voc 潜力。

QFLS 的重要性：

理论上限： QFLS 值越高，代表着在理想接面中有机会获得更高的开路电压 (Voc)。因此，QFLS 是评估光伏材料和器件性能的关键参数。
材料性能评估： QFLS 可以反映材料在光照下的载子分离能力，高的 QFLS 值通常意味着材料具有更好的光电转换性能。
器件设计：通过调控材料的能带结构和载子浓度，可以有效地提升 QFLS，从而提高器件的效率。例如，高掺杂可以提高载子浓度，但也会增加非辐射复合，因此需要仔细优化。
实验测量：透过光激发的能谱或电压响应可以测量到材料的 QFLS，藉此评估材料的效能。

总之，准费米能级分裂（QFLS）是理解非平衡状态下半导体光电响应的关键概念。它与理想开路电压 (iVoc) 有着直接的关联，是衡量光伏材料和器件性能的重要指针。

3. Pseudo J-V曲线之预测：一个理想化的蓝图

我们可以将 Pseudo J-V 曲线比喻成一位「完美的运动员」，他拥有完美的体能，没有伤病，能够发挥出全部的潜力。而实际的器件就像「现实的运动员」，他们可能会受到伤病、疲劳、环境等各种因素的影响，无法达到「完美运动员」的表现。Pseudo J-V 曲线就像是「完美运动员」的成绩单，它给了我们一个明确的目标，让我们知道「现实运动员」可以进步的方向。

因此也可以把 Pseudo J-V 曲线想象成一个「完美光伏器件」的性能蓝图。它不是我们实际测量到的 J-V 曲线，而是基于材料的内在特性（如 QFLS）和理想化的二极管模型所推导出的理论曲线。这个曲线假设器件没有界面缺陷、没有串联和并联电阻损失，以及没有其他非理想效应。简而言之，它是一个「如果所有条件都完美」的器件性能预测。

透过将iVoc、理想光生电流和理想化的饱和电流密度(J0)等参数代入，可获得pseudo J-V曲线，用以评估材料之理论极限效能并与实际器件J-V比较，协助研究者辨识实务中损失的来源。

Pseudo J-V 曲线的构建：基于 QFLS 和理想二极管方程式

Pseudo J-V 曲线的构建基于以下几个关键要素：

理想开路电压 (Voc，ideal)：如前所述，理想开路电压 (Voc，ideal) 与准费米能级分裂 (ΔEF) 有着直接的关联：
Voc,ideal ≈ ΔEF / q = (EFn – EFp) / q

这个 Voc，ideal 代表了器件在开路条件下，电压的理论上限，是 Pseudo J-V 曲线的起始点。

理想光生电流密度 (Jph，ideal)：
这代表了在短路条件下，器件能够产生的最大电流密度。在 Pseudo J-V 曲线中，我们假设所有入射光子都产生了可被收集的载子，因此 Jph，ideal 反映了材料的光吸收能力和载子收集效率。
在实际情况中，Jph 可以使用吸收系数和入射光谱估计出来。
理想饱和电流密度 (J0)：
理想饱和电流密度 (J0) 代表了二极管在黑暗条件下，反向偏压时的泄漏电流。在理想二极管模型中，这个电流密度是由材料本身的热平衡载子浓度和复合机制决定的。J 0 可以用以下公式表示：
J0 = AeT² exp(-(Eg / (kBT)))其中，Ae 是 Richardson 常数，T 是绝对温度，Eg 是半导体的能隙，kB 是波兹曼常数。
理想二极管方程式： Pseudo J-V 曲线是基于理想二极管方程式推导出的。理想二极管方程式描述了电流密度 (J) 与电压 (V) 之间的关系：
J = J0 * (exp((qV) / (kBT)) – 1) – Jph,ideal这个方程式描述了在理想情况下，光伏器件的电流电压特性，其中 q 是基本电荷，kB 是波兹曼常数，T 是绝对温度。

藉由将以上三个参数带入理想二极管公式，我们可以得到一条在理想情况下的电流-电压曲线。

Pseudo J-V 曲线的应用：理论与现实的对照

Pseudo J-V 曲线的最大价值在于，它可以作为一个基准，让我们评估实际器件性能与理论极限之间的差距。通过比较实际测量的 J-V 曲线与 Pseudo J-V 曲线，我们可以识别出实务中损失的来源：

界面缺陷：实际器件的界面缺陷会导致非辐射复合，降低 PLQY 和 Voc，使实际 J-V 曲线偏离 Pseudo J-V 曲线。
串联电阻损失：实际器件中的串联电阻会限制电流的流动，导致 J-V 曲线在较高电流密度下「下垂」。
并联电阻损失：实际器件中的并联电阻会导致漏电流，影响低电压下的性能。
光照不均匀性：实际光照往往不均匀，这会影响电流的产生。
非理想接触：电极接触通常不是理想的，会影响载子注入与收集效率

Pseudo J-V 曲线不仅是一个理论工具，更是一个实用的指导方针。它帮助我们：

理解材料的理论潜力：通过 QFLS 和理想二极管方程式，我们可以预测材料在完美条件下的性能。
识别性能损失的来源：通过比较 Pseudo J-V 曲线与实际 J-V 曲线，我们可以找到性能损失的具体原因。
指导器件设计优化：了解性能损失的来源后，我们可以有针对性地优化材料制备、器件结构和工艺流程，从而提高器件的整体效率。

因此，Pseudo J-V 曲线是连接材料基础特性与器件实际性能的重要桥梁，对于半导体光伏器件的设计与优化具有不可或缺的价值。

Enlitech QFLS-Maper测量设备的学术价值与技术特性

在上述理论的基础上，测量PLQY并推导QFLS的关键在于仪器的精准度、灵敏度与多功能性。Enlitech的QFLS-Maper测量设备在如下几方面突显其学术价值与专业度：

QFLS mapping功能，可视化材料均匀状况：
可视化呈现QFLS image，一眼即可掌握样品QFLS、Pseudo J-V、PLQY、EL-EQE等全貌；最快2分钟可透过Pseudo J-V预测材料效率的极限；极限3秒，就可以了解QFLS费米能阶分布情况。
超高动态光强范围 (1/10000 ~ 15个Sun)：
太阳能材料研究时，了解材料在极低光强（如室内照度或弱光应用）与超高光强（如高倍聚光应用）下的行为均很重要。QFLS-MAPER透过精密的光源调控与校正，能在1/10000个Sun到15个Sun的范围内保持稳定测试，协助研究者探讨材料在弱光与强光条件下载子复合行为的变化，为学术论文中的光照相关性研究提供强而有力的实验证据。
极低光强 PL 检测灵敏度 (可达10^-4量级)：
有机太阳能电池 (OPV) 因其材料特性，PL 发射强度普遍较低（如某些新颖OPV或窄能隙钙钛矿）。这使得研究者在利用传统设备时，难以获取高信噪比的 PLQY 数据。

这种高灵敏度不仅能准确撷取微弱的 PL 讯号，更能让研究者进一步分析：

1. 深能阶陷阱态：通过 PL 讯号分析，揭示 OPV 材料中存在的深能阶陷阱态（Deep-Level Traps）对非辐射复合的影响。
2. 缺陷辐射：精确评估缺陷引起的辐射复合（Defect-Mediated Radiative Recombination）对整体发光效率的贡献。
3. QFLS 与 iVoc 极限：利用高灵敏度 PL 数据，精确推导出 QFLS 值，并估算材料的理想开路电压 ( iVoc ) 极限。
  这些精确的测量结果，对于深入理解 OPV 材料的载子动力学、评估其理论效能极限具有极高的学术价值。

广泛的波长覆盖范围 (580 ~ 1100 nm)：
太阳能材料的研究日趋多元化，从钙钛矿系统（能隙约 1.5 ~ 1.7 eV）到有机半导体（能隙可延伸至近红外），皆需要对不同波长范围的 PL 讯号有良好的解析能力，QFLS-MAPER在标准机型配置下即能涵盖580~1100 nm常见光伏材料区间，对大多数学术研究而言已足以涵盖主要研究材料的吸收/发射范围。同时QFLS-MAPER在低光强测量与稳定性方面的强化，对于标准OPV与钙钛矿研究更为精准、容易操作。这表示它可以：
1. 涵盖多种材料：同时满足钙钛矿、OPV 以及其他先进材料的 PL 测量需求，无需为不同能隙的材料更换设备。
2. 提供更完整的 PL 信息：对不同波长的 PL 讯号进行解析，获取更全面的材料信息，如缺陷能级、多激子效应等。
3. 提升实验室效率：简化实验流程，降低设备投资成本。

高重现性与可溯源校正：
学术研究的可靠性基于实验结果的可重现性与可溯源性。QFLS-MAPER着重于数据的重现性与可溯源性，符合学术研究对实验可验证性的要求。QFLS-MAPER 采用经验丰富的光学设计和定期校正程序，确保测量结果的稳定性与可靠度。具体措施包含：
1. 稳定性设计：采用精密的温度控制和稳定的光路系统，减少环境因素对测量结果的影响。
2. 可溯源校正：使用 NIST 可追溯的标准光源和检测器，对仪器进行定期校正。

这些严格的质量控制措施，使研究者能够自信地将所测量的数据应用于严谨的学术论文，并有助于提升研究成果的可信度。相比之下，竞品并未明确强调光致量子产率及iVoc测试结果的重复性与稳定性指标。对学术单位而言，能持续产出稳定、可对照于各实验室标准的数据，有助于建立研究结果的国际公信力。

整合学术模型与一键式分析：
QFLS-MAPER不仅是硬设备，更搭配对应软件算法与学术模型内置模块，研究者可一键式快速取得QFLS、iVoc及pseudo J-V。此种软硬件整合设计让研究者能快速将测量结果与理论模型对接，减轻自行开发数据后处理程序的负担。

结论与展望

透过PLQY测量并推导QFLS、iVoc与pseudo J-V，已成为新型太阳能材料研究的重要利器。Enlitech所推出的QFLS-Maper测量设备不但在基础理论上有扎实的学术背书（详细平衡、SRH复合理论、Shockley-Queisser极限模型），并透过高精度光学设计、广泛光强与波长范围、极高检测灵敏度、以及数据重现性的重视，为研究者提供了一个能可靠而快速解读材料内在极限潜能的专业平台。

胜焱电子科技-光焱科技 ENLITECH

廖, 婉清 — Tue, 15 Apr 2025 09:06:34 +0000

QFLS准费米能级分裂技术指南：评估光伏材料性能上限太阳能电池性能表征与效率提升的关键参数分析

前言

准费米能级分裂（Quasi-Fermi Level Splitting，QFLS）是太阳能研究中一个重要的物理参数，广泛应用于半导体材料与光电器件的性能评估。QFLS描述了在非平衡态下，电子与空穴的准费米能级之间的能量差，并与光伏器件的开路电压（Open-Circuit Voltage，V_OC）以及光电转换效率（Power Conversion Efficiency，PCE）密切相关。本文旨在全面探讨QFLS的基本概念和定义、背景与重要性、测量方法、计算公式及其在光伏器件中的应用，并分析其未来发展方向。

QFLS基本概念与定义

基本概念

准费米能级分裂QFLS是固态物理学和半导体器件研究中的一个重要概念，用于描述非平衡态下电子和空穴的能级分布。在平衡态下，半导体的费米能级（Fermi Level，E_F）是唯一的，表示电子和空穴的化学势相等。然而，在光照或外加电压的作用下，半导体内部会产生光生载流子（电子和空穴），导致电子和空穴的分布不再遵循平衡态的费米-狄拉克分布，从而形成两个独立的准费米能级，分别为电子的准费米能级（E_F,e）和空穴的准费米能级（E_F,h）。

这种分裂现象的形成主要受到以下因素的影响：

光生载流子的产生：当半导体材料受到光照时，光子能量大于材料的禁带宽度（Bandgap）时，会激发电子从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对。这些光生载流子的浓度增加，导致电子和空穴的化学势发生改变。
载流子的复合：光生载流子在材料内部会经历辐射复合（Radiative Recombination）和非辐射复合（Non-Radiative Recombination）。这些复合过程会影响准费米能级的分布，特别是非辐射复合会降低准费米能级分裂的幅度。
外加电压的影响：在光伏器件中，外加电压会改变载流子的分布，进一步影响准费米能级的分裂。例如，在太阳能电池的开路条件下，载流子浓度达到最大，准费米能级分裂也达到最大值。

定义

电子准费米能级（E_F,e）电子准费米能级（E_F,e）是描述非平衡态下导带中电子分布的能级。当半导体材料受到光照或外加电压时，光生载流子（电子和空穴）会被激发，导致电子的分布偏离平衡态。此时，电子的能量分布不再由单一的费米-狄拉克分布描述，而是由电子准费米能级（E_F,e）来表征。数学上，电子的分布可以表示为：f_e(E) = 1 / (1 + exp((E – E_F,e) / kT))
其中，E为电子的能量，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，E_F,e为电子准费米能级。E_F,e的大小取决于光生电子的浓度以及材料的导带态密度（N_c）。电子准费米能级的提升通常意味着光生电子浓度的增加，这对于光伏器件的性能至关重要。例如，在高效钙钛矿太阳能电池中，E_F,e的提升可以显著提高开路电压（V_OC）。
空穴准费米能级（E_F,h）空穴准费米能级（E_F,h）是描述非平衡态下价带中空穴分布的能级。与电子准费米能级类似，当半导体材料受到光照或外加电压时，价带中的空穴分布也会偏离平衡态，此时由空穴准费米能级（E_F,h）来描述。数学上，空穴的分布可以表示为：f_h(E) = 1 – 1 / (1 + exp((E – E_F,h) / kT))
其中，E为空穴的能量，E_F,h为空穴准费米能级。E_F,h的大小取决于光生空穴的浓度以及材料的价带态密度（N_v）。空穴准费米能级的降低通常意味着光生空穴浓度的增加。对于光伏器件而言，E_F,h的变化与界面复合和材料缺陷密切相关。例如，在钙钛矿太阳能电池中，通过界面钝化技术可以有效提升E_F,h，从而减少非辐射复合损失。

理论公式

数学上，QFLS可以表示为：

QFLS = E_F,e – E_F,h

其中，E_F,e 和 E_F,h 分别是电子和空穴的准费米能级。

在光伏器件中，QFLS 是开路电压V_oc的理论上限，并且与光生载流子的产生效率和复合行为密切相关。根据理论，V_OC 可以表示为：

V_OC = QFLS / q
其中，q 是电子的基本电荷。

QFLS 的大小取决于材料的内部特性（如缺陷密度和非辐射复合速率）以及外部条件（如光照强度和温度）。在理想状态下，QFLS 仅受辐射复合的影响，这被称为辐射极限（Radiative Limit）。然而，在实际器件中，非辐射复合会降低 QFLS，从而导致开路电压损失。

QFLS的发展背景

早期理论基础

QFLS 的概念最早源于20世纪中期的半导体物理学研究。随着量子力学和固态物理学的发展，科学家提出了准费米能级的概念，用于描述非平衡态下的载流子分布。

在早期的研究中，QFLS 被用作分析光生载流子行为的理论工具，并逐渐应用于光电器件的性能评估。

光伏器件中的应用

在20世纪末，QFLS 开始被广泛应用于光伏器件的研究中。研究表明，QFLS 与器件的 V_OC 和 PCE 密切相关，并且可以用于量化非辐射复合损失。

特别是在薄膜太阳能电池（如 CIGS 和钙钛矿太阳能电池）中，QFLS 被用来评估材料内部和界面处的复合行为，从而指导材料和器件的优化。

现代技术的进步

随着测量技术的进步，科学家可以更准确地测量 QFLS，并将其与材料的光电性能直接关联。例如，光致发光量子产率（PLQY）和电致发光量子产率（ELQY）技术的发展，使得 QFLS 的测量精度和应用范围显著提升。

此外，现代技术还使得 QFLS 的研究从单层材料扩展到多层结构和异质结构，为新型太阳能材料（如钙钛矿和有机半导体）的开发拓展应用潜能。

QFLS在太阳能研究中的重要性

开路电压（V_OC）的理论上限

QFLS 是光伏器件中开路电压 V_OC 的理论上限，这使其成为评估器件性能的关键参数。V_OC 是光伏器件在无电流流动时的最大电压，其大小直接影响光电转换效率（Power Conversion Efficiency， PCE）。更高的 QFLS 代表着更高的 V_OC，进而提升器件的效率。

在理想状态下，V_OC 仅受辐射复合的限制。然而，实际器件中的非辐射复合（如缺陷态复合和界面复合）会导致 QFLS 与 V_OC 之间的差距，这种差距反映了器件内部的能量损失。

Pseudo J-V 曲线的应用与价值

Pseudo J-V 曲线提供一种理想化的性能评估工具，帮助研究人员排除串联电阻等外部因素的影响，专注于器件的内在物理特性。其重要性体现在以下几个方面：

效率潜力评估：Pseudo J-V 曲线能准确量化器件的理想填充因子（Pseudo FF）和潜在效率，并与实际 J-V 曲线进行比较，揭示损失机制。
非辐射复合损失分析：研究人员通过对比QFLS与V_OC的差距，能够精确量化材料中的非辐射复合损失。
材料与界面改进：这项技术在钙钛矿太阳能电池及其他新兴太阳能领域已有广泛应用，研究团队利用它来优化界面钝化策略并调整材料结构，大幅提升实际器件的性能表现。

非辐射复合损失的表征

QFLS 是量化非辐射复合损失的重要工具。非辐射复合是光伏器件中能量损失的主要来源之一，会降低光生载流子的寿命和浓度，从而降低V_OC 和 PCE。

通过测量 QFLS 与 V_OC 之间的差距，可以识别非辐射复合的主要来源，例如：

缺陷态复合：由材料内部的缺陷或杂质引起。
界面复合：发生在活性层与传输层之间的界面处。

光电转换效率（PCE）的提升

QFLS的高低直接反映了太阳能材料中光生载流子能被收集的效能。当QFLS值较高时，系统中的能量损耗便相对减少，能提升太阳能电池的整体转换效率。例如，在钙钛矿太阳能电池中，QFLS的提升可以显著减少非辐射复合损失，从而提高光电转换效率（PCE）。

此外，QFLS还可以用于量化不同材料或结构的非辐射复合损失，从而指导材料改性和界面钝化技术的应用。

材料和界面表征的应用

通过测量QFLS，可以评估材料的内在性能和界面处的复合损失。在非器件态下，QFLS的测量可以避免电极或其他器件的影响，直接反映材料的本征性能。例如，光致发光量子效率（PLQY）和电致发光量子效率（ELQY）技术已被广泛用于QFLS的测量，并为材料的优化提供了重要依据。

QFLS相关理论

辐射极限

辐射极限（Radiative Limit）是光伏器件性能的理论上限，指在仅考虑辐射复合的情况下，QFLS 和 V_OC 的最大值。在辐射极限下，所有光生载流子都通过辐射复合释放能量，没有非辐射复合损失。

然而，在实际器件中，非辐射复合是不可避免的，主要包括以下几种类型：

缺陷态复合：由于材料内部的缺陷或杂质，电子和空穴会通过缺陷态进行复合，导致能量损失。
界面复合：在多层结构的光伏器件中，界面处的能带不连续或缺陷会导致载流子的复合，这是非辐射复合的重要来源。
俄歇复合：在高载流子浓度下，电子和空穴的能量会通过与另一个载流子的碰撞传递，这种过程也会导致非辐射复合。

非辐射复合

非辐射复合的存在会降低 QFLS 和 V_OC，从而限制光伏器件的性能。因此，减少非辐射复合损失是提升光伏器件效率的关键。

Pseudo J-V曲线

Pseudo J-V 曲线是基于 QFLS 数据生成的理想化电流-电压特性曲线。通过测量不同光强下的 QFLS 值，可以模拟出在无串联电阻影响下的器件性能。这种方法能帮助研究人员量化非辐射复合损失、界面缺陷以及潜在的填充因子 (FF) 损失，从而评估器件的效率潜力。

QFLS的测量计算方法

由于QFLS无法直接测量，科学家们发展了多种间接测量和计算方法。本章将详细介绍几种主要的QFLS测量方法，包括光致发光量子产率（PLQY）测量、电致发光量子产率（ELQY）测量、Pseudo J-V曲线、高能尾部拟合方法、电子漂移-扩散模型以及电子结构计算（第一原理）。

光致发光量子产率(PLQY)测量

光致发光量子产率（Photoluminescence Quantum Yield， PLQY）是测量QFLS的常用方法之一，其基本原理是通过测量样品吸收的光子数与发射的光子数之比，来推导光生载流子的辐射复合效率，进而计算QFLS。

测量步骤

激发样品：使用激光或光源照射样品，激发光生载流子。
收集光致发光信号：通过高灵敏度的光谱仪收集样品的光致发光信号，并测量其光通量密度（Φ_lum）
计算PLQY：根据样品的吸收率（a）和激发光子通量密度（Φ_exc），计算PLQY，公式如下：η_PLQY = Φ_lum / (Φ_exc · a)
其中：Φ_lum为光致发光的光通量密度，Φ_exc为激发光子通量密度，a为样品的吸收率。
推导QFLS：利用以下公式计算QFLS：QFLS = kT · ln(η_PLQY)其中，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，η_PLQY为光致发光量子产率。

优点：

非破坏性测量，适用于多种材料，包括钙钛矿、硅和有机半导体。
可直接量化辐射复合效率，为材料性能评估提供重要依据。

限制：

测量结果可能受样品表面缺陷和界面复合影响。
需要高灵敏度的光学设备，并且对测量条件的稳定性要求较高。

光焱科技Enlitech将推出新一代QFLS测量设备！能呈现准费米能级分裂的可视化图像，同时提供Pseudo JV曲线测量功能，帮助研究人员预测太阳能材料的理论极限及iVOC值。想探索您材料的真实潜力？立即与我们联系获取更多专业信息！

电致发光量子产率(ELQY)测量

电致发光量子产率（Electroluminescence Quantum Yield， ELQY）是另一种测量QFLS的方法，特别适用于已制备的光电器件。其原理类似于PLQY，但激发载流子的方式是通过外加电压或电流。

测量步骤

施加电压或电流：对器件施加电压或电流，激发载流子复合。
收集电致发光信号：使用光谱仪测量器件的电致发光信号，并计算ELQY。
计算QFLS：使用与PLQY相同的公式计算QFLS。

优点：

适用于实际器件的性能评估。
可直接反映器件内部的非辐射复合行为。

限制：

测量结果可能受器件结构和界面影响。
需要稳定的电流源和高灵敏度的光学检测设备。

Pseudo J-V 曲线的生成方法

测量 QFLS 数据：使用光致发光量子产率（PLQY）或电致发光量子产率（ELQY）测量不同光强下的 QFLS 值。这些数据可以通过光谱高能尾拟合或其他算法计算得到。
计算复合电流密度 J_rec：根据 QFLS 值，计算复合电流密度，公式如下：J_rec = J₀ · (e^{(q · QFLS) / (kT)} – 1)
其中，J₀ 是暗饱和电流密度，q 是电子电荷，k 是玻尔兹曼常数，T 是温度。
生成 Pseudo J-V 曲线：将复合电流密度与 QFLS 值作图，并减去与电压无关的光生电流(J_gen)密度，即可生成 Pseudo J-V 曲线，提供一种理想化的性能评估工具，帮助研究人员排除串联电阻等外部因素的影响，专注于器件的内在物理特性。其重要性体现在以下几个方面：J = J_gen – J_rec
该曲线反映了理想条件下的器件性能，帮助研究人员了解光伏器件的内部物理机制。

高能尾部拟合方法（HET Fit）

高能尾部拟合方法是一种基于光致发光光谱的技术，用于精确计算QFLS。该方法通过拟合光谱的高能部分，推导出载流子的能量分布。

测量步骤

获取光谱数据：使用光谱仪获取样品的光致发光光谱。
拟合高能尾部：拟合光谱的高能尾部，计算光子能量与光通量密度的关系。
推导QFLS：根据拟合结果，使用以下公式计算QFLS：QFLS = (q / kT) · ln(Φ_lum / (Φ_exc · a))
其中，q为电子电荷，a为样品的吸收率，T为绝对温度，Φ_lum为光致发光的光通量密度，Φ_exc为激发光子通量密度，a为样品的吸收率。

优点：

高精度，适用于研究材料内部的能量分布。
可用于分析非辐射复合损失。

限制：

需要高分辨率的光谱仪。
拟合结果可能受样品均匀性影响。

电子漂移-扩散模型

电子漂移-扩散模型是一种理论计算方法，通过模拟载流子的漂移和扩散行为，来估算QFLS。

模型建立与计算

建立数学模型：根据材料的物理参数（如载流子寿命、扩散系数等），建立漂移-扩散模型。
模拟载流子行为：模拟光生载流子的产生、复合和传输过程。
计算QFLS：根据模拟结果，推导出QFLS。

优点：

适用于研究材料内部的载流子动力学。
可结合实验数据进行校准。

限制：

需要详细的材料参数。
模型的准确性依赖于假设条件。

电子结构计算（第一原理）

第一原理计算（如密度泛函理论，DFT）可用于模拟材料的电子结构，从而计算QFLS。

计算步骤

模拟电子结构：使用第一原理方法模拟材料的电子结构。
计算准费米能级：计算导带和价带中的准费米能级位置。
推导QFLS：根据模拟结果，计算QFLS。

优点：

适用于研究新材料的理论性能。
可提供原子尺度的详细信息。

限制：

计算量大，对计算资源要求高。
需要高水平的理论知识。

影响因素与修正项

温度的影响温度对QFLS的计算有显著影响，因为kT直接影响公式中的对数项。测量时需保持样品在稳定的温度条件下，并考虑温度对载流子复合行为的影响。
非辐射复合的校正非辐射复合会降低PLQY或ELQY，导致QFLS的低估。需要通过校正非辐射复合损失来提高准确性，例如结合漂移-扩散模型进行校正。
吸收率的准确测定样品的吸收率直接影响光子通量的计算，需通过实验或理论模型准确测定。吸收率的误差可能导致QFLS的计算偏差。
光谱校准的必要性测量系统需进行绝对光子数校准，以确保光谱数据的准确性。高能尾部拟合方法的先决条件是将整个测量系统校准为绝对光子数。

实际计算中的注意事项

测量条件的稳定性确保激光强度和样品温度稳定，避免测量误差。测量条件的不稳定可能导致QFLS计算结果的波动。
光谱仪的灵敏度使用高灵敏度的光谱仪，特别是在测量高能尾部时。光谱仪的灵敏度不足可能导致高能尾部拟合的精度下降。
样品均匀性测量前需检查样品的均匀性，避免局部缺陷影响结果。样品的不均匀性可能导致QFLS的计算偏差。
非辐射复合的校正结合漂移-扩散模型或其他理论方法，校正非辐射复合对QFLS的影响。非辐射复合的校正是提高QFLS计算准确性的关键。

QFLS的应用领域与实际案例

太阳能电池性能评估

非器件态表征在钙钛矿太阳能电池的早期开发阶段，非器件态表征是一种有效的研究方法。这种方法可以直接研究材料的本征性能，避免器件结构对测量结果的影响。例如，德国HySPRINT实验室利用光致发光量子效率（PLQY）测量技术，对不同制备工艺下的钙钛矿薄膜进行了逐层评估，揭示了不同膜层对QFLS的影响。随着膜层数量的增加，QFLS呈现下降趋势，这主要是由于膜层间的界面复合损失所致。此外，PLQY mapping技术还可以用于分析钙钛矿薄膜的均匀性和缺陷分布。例如，在不同光照强度下进行PLQY mapping测试，可以揭示钙钛矿薄膜内部的光电转换特性和复合行为。

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QFLS与开路电压的关系研究表明，钙钛矿材料的QFLS通常低于其理论辐射极限，这主要是由于非辐射复合和界面能量损失所致。例如，波茨坦大学的研究发现，钙钛矿中的QFLS显著低于其所有光强下的辐射极限，并且V_OC通常低于QFLS，这违反了Shockley-Queisser理论的假设。这种偏移表明，非辐射复合和界面缺陷是限制V_OC的主要因素。此外，研究还发现，通过优化钙钛矿层与电子传输层（ETL）或空穴传输层（HTL）之间的界面，可以显著提升QFLS。例如，通过引入二胺分子修饰钙钛矿表面，研究人员成功将QFLS提升了90 meV，从而使1.79 eV的钙钛矿太阳能电池达到1.33 V的V_OC，并实现了超过19%的功率转换效率（PCE）。资料来源：
材料优化研究人员通过引入多功能聚合物添加剂来钝化钙钛矿薄膜中的缺陷，显著提升了QFLS。例如，青岛能源研究所的研究显示，通过引入一种通用的多功能聚合物添加剂，可以同时钝化阳离子和阴离子缺陷，从而将钙钛矿薄膜的QFLS提升至接近Shockley-Queisser极限的95.5%。资料来源：另一项研究则通过调整钙钛矿层的结构来提升QFLS。例如，通过设计2D/3D钙钛矿结构，研究人员成功实现了更高的QFLS和更低的非辐射复合损失。这种结构的量子限域效应有助于提升电子和空穴的分离效率，从而提高整体器件性能。
资料来源：

半导体器件中的QFLS应用

纳米接触点结构中的QFLS在纳米接触点结构中，QFLS被用来描述有限偏压操作下的非平衡态。例如，在分子结构的纳米接触点中，QFLS的分裂与非线性静电势降和非对称电阻偶极分布有高度的关联。研究表明，通过调整纳米接触点结构的几何形状和材料组成，可以显著影响QFLS。例如，在单分子结构中，QFLS的分裂与载流子的传输行为密切相关。这种现象可以用于设计高效的纳米光电器件。资料来源：
表面复合对QFLS的影响表面复合是影响QFLS的重要因素之一。在Cu₂ZnSnSe₄吸收层的研究中，研究人员发现，通过化学清洗和退火处理，可以显著改变表面复合速率，从而提升QFLS。例如，研究人员利用化学清洗成功去除了吸收层表面的反转层，从而显著提升了QFLS。然而，当吸收层在空气中退火后，表面反转层再次形成，导致QFLS下降。研究还发现，表面处理的效果与退火温度密切相关。例如，在200°C以上的高温退火会导致吸收层表面的永久性变化，从而影响QFLS。资料来源：

光伏器件损耗分析中的QFLS

损耗来源诊断：QFLS是分析光伏器件内部能量损耗的重要工具。例如，通过比较QFLS与理论辐射极限的差距，可以量化非辐射复合损失。研究表明，界面处的能量损失是限制QFLS的主要因素之一。例如，在钙钛矿太阳能电池中，界面缺陷和能带不匹配会导致显著的非辐射复合损失。
隐含开路电压（iV_OC）测量：隐含开路电压是一种基于QFLS的非接触式表征方法，用于评估器件的潜在性能。例如，通过光致发光或电致发光量子效率测量，可以计算iV_OC，从而揭示器件内部的复合行为。研究表明，iV_OC的测量结果与QFLS密切相关。例如，在有机光伏器件中，iV_OC的测量可以用于量化非辐射复合损失，并指导器件结构的优化。

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有机光伏器件中的QFLS在有机光伏器件中，QFLS被用来量化载流子的复合行为。例如，通过在操作条件下直接测量QFLS，研究人员可以全面表征不同能量损耗的贡献。研究表明，有机光伏器件的QFLS与其内部的非辐射复合密切相关。例如，通过优化活性层的结构，可以显著提升QFLS，从而提高器件的光电转换效率。

基础物理研究中的QFLS

能带结构分析QFLS被用于研究半导体材料的能带结构。例如，通过测量光致发光光谱，可以分析光照或偏压条件下材料能带结构的变化。研究表明，QFLS的测量研究结果可以用于揭示材料内部的能量分布。例如，在钙钛矿材料中，QFLS的变化与其能带结构的调整密切相关。
载流子动力学的研究QFLS还被用于研究载流子的动力学行为。例如，通过测量QFLS，可以获得载流子的寿命和复合速率等关键参数。研究表明，QFLS的测量结果可以用于分析载流子的传输行为。例如，在有机光伏器件中，QFLS的变化与载流子的传输效率密切相关。

结论

QFLS的核心作用

评估光伏器件性能作为描述光生载流子非平衡态能量分布的核心参数，QFLS直接影响光伏器件的开路电压（V_OC）和光电转换效率（PCE）。研究表明，QFLS越高，表示材料内部的非辐射复合损耗越低，光伏器件的潜在效率越高。在钙钛矿太阳能电池中，QFLS的测量已被广泛用于评估材料的内部质量和界面性能。例如，通过光致发光量子产率（PLQY）测量，研究人员可以量化材料内部的非辐射复合行为，并进一步推导出QFLS值。这些数据为光伏器件的优化提供了重要依据。此外，QFLS还能帮助识别光伏器件中的能量损耗来源，例如界面缺陷和材料内部的缺陷态复合，从而为提升器件性能提供具体的改进方向。
表征非辐射复合损耗非辐射复合是光伏器件性能下降的主要原因之一，而QFLS则是量化非辐射复合损耗的关键指标。当QFLS与理论辐射极限之间存在显著差距时，通常表明材料内部或界面处存在较高的非辐射复合损耗。例如，在钙钛矿太阳能电池中，研究发现界面处的非辐射复合是导致QFLS下降的主要因素之一。通过引入功能性界面层或缺陷钝化技术，可以显著降低非辐射复合损耗，从而提升QFLS值。此外，QFLS的测量还能揭示不同制备工艺对材料非辐射复合行为的影响，为工艺优化提供了量化依据。
隐含开路电压(iV_OC)的预测QFLS与隐含开路电压（iV_OC）之间存在密切的关系。iV_OC是一种基于QFLS的非接触式表征方法，用于预测光伏器件的潜在性能。通过光致发光或电致发光量子效率的测量，研究人员可以计算出iV_OC值，从而评估器件的开路电压潜力。例如，在钙钛矿太阳能电池中，iV_OC的测量已被用于量化界面处的能量损耗。研究表明，通过提升QFLS值，可以显著提高iV_OC，从而提升器件的开路电压和整体效率。
材料优化在钙钛矿太阳能电池中，通过测量不同制备工艺下的QFLS值，研究人员可以比较各种工艺对材料性能的影响，从而选择最佳的制备条件。QFLS还能帮助研究人员识别材料中的缺陷态和界面损耗。例如，通过引入多功能聚合物添加剂或界面修饰技术，可以显著提升QFLS值，从而提高材料的光电转换效率。

未来发展

提升测量精度与空间分辨率随着光伏技术的快速发展，对QFLS测量精度和空间分辨率的需求也越来越高。未来的研究应致力于开发更高精度和更高空间分辨率的测量技术，以便在纳米尺度上表征QFLS的分布。例如，超光谱显微镜和高分辨率光谱仪的应用，已经显著提升了QFLS测量的精度和分辨率。这些技术的进步将有助于深入研究异质结构和多层结构中的QFLS分布，从而为光伏器件的设计和优化提供更详细的信息。
应用于新型太阳能材料QFLS的研究将进一步扩展至新型太阳能材料，如宽带隙钙钛矿、量子点和有机半导体等。这些材料的能带结构和复合机制需要通过QFLS进行深入分析。例如，在量子点太阳能电池中，QFLS的测量可以揭示量子点层的能量分布和复合行为。此外，QFLS还能帮助研究人员理解有机半导体中的载流子动力学，从而提升器件的稳定性和效率。
与叠层电池结合在叠层电池中，QFLS可以用于优化顶层和底层电池的能量匹配，从而实现更高的效率。例如，在钙钛矿/硅叠层电池中，通过测量各层的QFLS值，研究人员可以调整各层的能带结构和界面性能，从而提升整体效率。QFLS的测量还能帮助识别叠层电池中的能量损耗来源，为器件的设计和优化提供具体的改进方向。
界面工程与缺陷钝化通过引入功能性界面层或缺陷钝化技术，可以显著降低界面处的非辐射复合损耗，从而提升QFLS值。在钙钛矿太阳能电池中，研究人员通过引入二维/三维钙钛矿结构，显著提升了界面处的QFLS值，从而提高了器件的开路电压和效率。

胜焱电子科技-光焱科技 ENLITECH

廖, 婉清 — Tue, 30 Jul 2024 04:45:53 +0000

中国科学院朱晓张团队实现 20.2%高效率有机太阳能电池，不对称结构和苯基取代烷基侧链的非富勒烯受体

光焱科技Enlitech-客户研究实证！

研究亮点

背景简述：对于有机太阳能电池（OSCs）来说，要与 Shockley–Queisser 极限接轨，需要通过分子设计和器件工程同时降低能量损失以获得较高的开路电压，改善光利用以增强短路电流密度，并保持理想的纳米形态以获得较高的填充因子。
研究手法：研究团队设计并合成了一种具有链接苯基的非对称非富勒烯受体（Z8），以建立三元有机太阳能电池中的合金受体。非对称结构最小化了非辐射能量损失和由电子激子的电荷复合引起的现象。
影响效果：苯基取代的烷基侧链对分子间作用有影响，改善了薄膜纳米形态，使激子解离效率提高并减少了电荷复合。
研究成果：研究团队达成了基于 D18:Z8:L8-BO 三元混合物的有机太阳能电池，其效率为 20.2％（经认证为 19.8％）。
验证：通过理论计算，我们检验了光子和载流子损失的整体分布，并分析了在开路电压、短路电流密度和填充因子方面改善的潜力 。

引言

在有机太阳能电池（OSCs）的研究领域中，要达到与Shockley–Queisser极限相匹配的性能，需要通过精细的分子设计和器件工程来同时降低能量损失、提高开路电压、增强光电转换效率以及优化纳米结构。这项研究中，研究团队成功设计并合成了一种新型非对称非富勒烯受体Z8，其特点是具有链接苯基，这有助于在三元有机太阳能电池中形成合金受体，从而最小化非辐射能量损失和电荷复合。此外，苯基取代的烷基侧链对分子间作用产生了积极影响，改善了薄膜的纳米形态，提高了激子解离效率，并减少了电荷复合。这些改进导致了基于D18:Z8:L8-BO三元混合物的有机太阳能电池达到了20.2%的高效率，经过认证后为19.8%，并将研究成果发表在Nature Energy。通过理论计算，研究团队还检验了光子和载流子损失的整体分布，并分析了在开路电压、短路电流密度和填充因子方面的改进潜力，这些都是推动OSCs向前发展的关键因素。这项研究不仅展示了通过分子工程和器件设计可以显著提升有机太阳能电池性能的可能性，也为未来的研究提供了宝贵的参考。

研究团队透一种具有链接苯基的非对称非富勒烯受体（Z8），以建立三元有机太阳能电池中的合金受体。非对称结构最小化了非辐射能量损失和由电子激子的电荷复合引起的现象

改善结晶性和形态 
增强结晶性：将Z8纳入D18：L8-BO混合物中导致结晶性增强，如更强的衍射强度和更窄的TI-TI堆叠峰所证实。
原文引述：“将Z型受体纳入D18：L8-BO有助于增强结晶性，如更强的（010）和（100）衍射强度和扩大的CCLs。”
统计分析和长期稳定性
全面测试和分析：对30多个器件进行了测试，并包括了对它们性能的统计分析。最佳器件在氮气填充室内进行了持续照明下的最大功率点（MPP）跟踪的长期稳定性评估。
原文引述：“我们在这项研究中测试了30多个器件。我们对性能进行了统计分析，包含在手稿中。表1显示了最佳和平均效率以及标准偏差。最佳D18：Z8：L8-BO器件在最大功率点（MPP）跟踪下在氮气填充室内进行了持续照明的长期稳定性测试，如附录图18所示。”
减少光子和载流子损失 
高效的电荷管理：使用Z8作为NFA有助于减少光子和载流子损失，促进电荷转移并最小化电荷复合。 
原文引述：“Z8中的连接苯基团可参与分子内和分子间相互作用，影响受体：受体和给体：受体的分子间相互作用。两种NFAs Z8和L8-BO可以形成合金受体，有助于通过与聚合物给体D18混合形成有利的纳米形态，包括适当的相分离、垂直组分分布和增强结晶度。

研究团队共采用以下6种方法来验证 D18:Z8:L8-BO 三元混合物的有机太阳能电池对于减少光子和载流子损失贡献

- 能量损失分析
- 载流子动态分析 
- 载流子移动率测量 
- 薄膜形态和结构分析 
- 分子动力学模拟 
- 光电性能测试

其中透过进行能量损失分析可以

深入了解高开路电压（Voc）
研究团队希望通过能量损耗分析来深入了解基于Z8的三元有机太阳能电池（OSCs）中实现的高开路电压（Voc）。这对于理解和优化太阳能电池的性能至关重要。
识别能量损耗的主要组成
能量损耗（Eloss）可以分为三部分：辐射损失（AE1）、带隙以下的辐射损失（AE2）和非辐射能量损失（AE3）。通过详细的能量损耗分析，研究团队可以识别这些组成部分，并针对性地进行优化。
减少能量无序和陷阱密度
研究结果表明，Z8的引入可以有效减少能量无序和陷阱密度，从而降低能量损失。这对于提高OSCs的整体性能至关重要。

研究团队为了深入了解基于Z8的三元有机太阳能电池（OSCs）中实现的高开路电压（Voc），进行了一项详细的能量损失（Eloss）分析。相关数据在底下中展示

计算了D18、D18和D18二元OSCs的能量损失（Eloss），分别为0.50、0.51和0.53 eV。对于D18:Z7和D18:Z8三元OSCs，Eloss值分别为0.52和0.51 eV。这些三元OSCs的能量损失低于基于D18的二元OSCs。

根据详细平衡理论，Eloss可以分为三部分：Eloss = q(AVsQ + AVr + AVnr)，其中AE1是带隙以上的辐射损失，来自于Shockley-Queisser（S-Q）极限；AE2和AE3分别是带隙以下的辐射和非辐射能量损失。研究中，AE1值为0.26-0.27 eV，二元OSCs的AE2值为0.06 eV，而Z8基三元OSCs的AE2值减小至0.05 eV，这归因于带尾态能量无序的减少。 

能量损失（𝐸𝑙𝑜𝑠𝑠）可以分为三个部分： 

∆E1：带隙（𝐸𝑔）与开路电压（𝑉𝑂𝐶）之间的差异，这部分损失与材料的带隙和开路电压有关。 

∆E2：开路电压与辐射电压（𝑉𝑂𝐶𝑟𝑎𝑑）之间的差异，这部分损失与非辐射复合过程有关。 

∆E3：辐射电压与实际电压（𝑉𝑂𝐶）之间的差异，这部分损失与载流子再结合和电荷提取效率有关。 

在补充图21b-f中，D18:Z8显示出最低的Urbach能量（Eu）值为22.8 meV，表明引入Z8可以有效减少能量无序，不仅有助于降低Eloss，还能帮助减少陷阱密度和限制电荷复合。此外，阻抗和电容-电压测量结果显示，三元OSCs的陷阱密度（N）降低，其中基于D18:Z8的三元电池的陷阱密度最低，为6.33 x 10^21 m^-3。

Supplementary Figure 21展示了二元和三元有机太阳能电池（OSCs）的详细平衡效率损失。 

(a) 展示了电致发光量子效率（EQEEL）的结果，用于计算能量损失中的∆E3部分。 

(b-f) 展示了傅里叶转换光谱（FTPS-EQE）的结果，用于分析能量损失中的Urbach能量（Eu）。Urbach能量是从FTPS-EQE曲线中的指数拟合获得的，其公式为α(E) = α0 ∙ exp((E – Eg)/Eu)。 

要获得傅里叶转换光谱（FTPS-EQE）的结果，用于分析能量损失中的Urbach能量（Eu）与  ∆E2时，研究团队采用了光焱科技Enlitech FTPS(PECT-600)智能型傅立叶变换光电流测试仪进行量测。

Urbach 能阶的定义是吸收随能量指数增加。吸收在吸收开始附近已知指数增加。

FTPS的软件可准确且具效率地取得Urbach能阶计算，跨越7 个数量级(10-5)。

FTPS 的工作原理

光源照射：各波长单色光源照射在待测样品后，产生光电流。
信号处理：光电流经过电流放大器并由 A/D 转换讯号撷取。
频谱分析：进行快速傅立叶变换进行光电流的频谱分析。 
讯噪比提升：降低噪声、提升讯噪比，以有效侦测极弱的吸收讯号。

“FTPS Measurement” 量测流程，确认量测范围与间距后，即开始进行 EQE 量测。

进阶量测-拟合功能说明
QE 数据导入>量测资料选择>Fitting 范围设置>
进行拟合计算>拟合计算结果显示于此 “Results”>可按“Save”进行数据保存

此研究使用各项论证并通过详细的理论计算，呈现了 OSCs 的光子和载流子损失的总体分布，分析了每个设备参数的改进潜力，这表明材料和设备的革新对进一步最小化光子和载流子损失至关重要。这些发现强调，光子损失和载流子损失应该得到社区的同等关注，这可能会推动 OSCs 的光伏性能向效率极限发展。 

使用光焱科技Enlitech FTPS(PECT-600)智能型傅立叶变换光电流测试仪进行光伏研究刊载于顶刊中文章

Nature Energy：由香港城市大学的 Alex Jen 教授发表的 “Redox mediator-stabilized wide-bandgap perovskites for monolithic perovskite-organic tandem solar cells”。
Joule：由西湖大学工学院的王睿教授发表的 “Redox mediator-stabilized wide-bandgap perovskites for monolithic perovskite-organic tandem solar cells”。

光焱科技Enlitech FTPS系统设计及规格

這篇文章中国科学院朱晓张团队实现 20.2%高效率有机太阳能电池，不对称结构和苯基取代烷基侧链的非富勒烯受体最早出現於胜焱电子科技-光焱科技 ENLITECH。

胜焱电子科技-光焱科技 ENLITECH

joseph-enli — Tue, 23 Jul 2024 06:53:27 +0000

国立阳明交通大学刁维光教授团队：利用 “自组装单层膜” 技术为高效率锡基钙钛矿太阳能电池开启新篇章

Enlitech-顶尖团队评分！

钙钛矿太阳能电池（PSC）凭借其高效率、低成本以及环境友善等优势，在过去几年中迅速成为光伏领域最具潜力的技术之一。然而，为了更符合可持续发展的需求，研究人员一直努力寻找能够取代传统铅基钙钛矿电池的更安全、更环保的材料。锡基钙钛矿太阳能电池（TPSCs）以其不含铅的优势，成为近年来的研究热点。与一般的铅基钙钛矿电池相比，锡基钙钛矿太阳能电池存在以下主要差异：

材料成分: 一般的钙钛矿电池主要使用含有铅的材料（如铅基钙钛矿），而锡基钙钛矿太阳能电池使用锡作为主要成分。锡基钙钛矿材料更环保，因为避免了铅元素带来的环境污染和健康风险。

稳定性和寿命: 锡基钙钛矿电池在稳定性方面相对较弱，主要是因为锡元素比铅元素更容易氧化，导致电池的寿命相对较短。尽管如此，研究人员正在探索使用各种添加剂和稳定技术来改善其稳定性，例如引入有机分子来钝化缺陷或者改善器件封装。

功率转换效率（PCE）: 目前，锡基钙钛矿太阳能电池的功率转换效率（PCE）相对较低，约为 12.26%。 [5] 而一般的铅基钙钛矿电池已经达到了 20% 以上的效率。

环境影响: 由于锡基钙钛矿不含有毒的铅，对环境更友好，尤其是在制造和废弃处理方面。锡基钙钛矿的应用前景更符合可持续发展的要求。

“自组装单层膜” 为锡基钙钛矿电池保驾护航

近期，国立阳明交通大学应用化学系刁维光教授团队在 Angewandte Chemie International Edition 杂志上发表了一项重要的研究成果。他们提出了一种新颖的策略，使用三种功能化的噻吩吡嗪（TP）分子（TP-MN、 TP-CA 和 TPT-MN）作为自组装单层膜 (SAMs)，将其沉积在 NiOx 薄膜上，从而有效地提高了锡基钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。

刁维光教授现任国立阳明交通大学应用化学系教授，他的研究团队主要专注于有机光电材料和器件的研究，尤其在钙钛矿太阳能电池和发光二极管方面，取得了杰出的成果。

“自组装单层膜” 是如何帮助提升锡基钙钛矿太阳能电池的性能的呢？

精准调控界面: 这三种功能化的 TP 分子 (TP-MN、 TP-CA 和 TPT-MN) 通过 “自组装单层膜” 的方式，沉积在 NiOx 薄膜的表面，形成了均匀且稳定的薄膜层。该团队通过分析 TP-MN 的单晶结构，证实了其能够在 ITO/NiOx 基底上形成稳定的单分子层。

改善接触: 这三种 TP 分子在结构中包含了 CN/CN 或者 CN/COOH 基团，能够与 NiOx 薄膜形成牢固的化学键，并同时改善钙钛矿材料与 NiOx 空穴传输层之间的界面接触，从而抑制载流子的非辐射复合，提升电池效率。

此外，化噻吩吡嗪分子还具有以下优异特性:

热稳定性和光电稳定性: “自组装单层膜” 能够增强 NiOx 薄膜的热稳定性和光电稳定性。

抗氧化: 噻吩吡嗪分子能够抑制 NiOx 的氧化反应，增强其稳定性。

调整能级: 功能化的 TP 分子能有效地调控能级排列，促进载流子的传输，最终提高电池的开路电压和填充因子。

防止潮湿: 这些 TP 分子的疏水性可以防止水分渗透到器件内部，增强器件的环境稳定性。

效率与稳定性显着提升，展现未来潜力

这项研究的成功展现了 “自组装单层膜” 技术在提高锡基钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性方面的巨大潜力，为高效稳定锡基钙钛矿太阳能电池的研究指明了新的方向。在未来，研究人员可以通过进一步探索新型功能化材料，优化薄膜制备工艺，最终克服锡基钙钛矿太阳能电池效率和稳定性方面的挑战，使其能够更广泛地应用于现实生活中，为解决全球能源危机做出更大的贡献。

该研究团队通过巧妙地利用功能化噻吩吡嗪分子形成 “自组装单层膜”，有效改善了锡基钙钛矿太阳能电池的性能，并为未来发展高性能、稳定、无铅的钙钛矿太阳能电池技术提供了宝贵的思路。

参考文献

Functionalized Thienopyrazines on NiOx Film as Self-Assembled Monolayer for Efficient Tin-Perovskite Solar Cells Using a Two-Step Method _Angewandte. 08 July 2024_ DOI: 10.1002/anie.202407228

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胜焱电子科技-光焱科技 ENLITECH

joseph-enli — Tue, 23 Jul 2024 05:45:04 +0000

Stefaan De Wolf团队七月最新Joule (IF38.6) 教你如何预测宽带隙钙钛矿太阳能电池的光稳定性，透过光致发光（PL）演变观察卤化物分离过程

Enlitech-顶尖团队评分！

本文亮点

空穴传输层/钙钛矿界面处价带顶（VBM）对准对电荷积累的影响
强调空穴传输层（HTL）和钙钛矿材料之间界面的价带顶对准对电荷积累的重要性。正确的能级对准可以影响电荷的传输和分布，从而影响太阳能电池的性能。
界面改变的电场加速卤化物分离
界面处的电场变化可以加速钙钛矿材料中的卤化物离子分离。卤化物分离是影响钙钛矿太阳能电池稳定性的关键因素之一，因此了解和控制这一过程至关重要。
混合自组装单分子层（SAMs）以定制空穴传输层的价带顶
解释了一种通过混合不同的自组装单分子层来调整空穴传输层价带顶的方法。这种技术允许研究人员精确地控制界面能级，从而优化器件性能。
光致发光（PL）演变通过卤化物分离定性预测宽带隙钙钛矿太阳能电池的光稳定性
强调了使用光致发光演变作为一种工具来预测宽带隙钙钛矿太阳能电池（WBG PSC）光稳定性的方法。通过观察卤化物分离过程，研究人员可以对电池的长期稳定性做出定性预测。

作者

Luis Victor Torres Merino, Christopher E. Petoukhoff, Oleksandr Matiash, … , Martin Stolterfoht, Frédéric Laquai, Stefaan De Wolf

关键词

宽带隙钙钛矿太阳能电池, 界面能量对准, 光稳定性, 自组装单层, 卤化物分离

阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf、Luis Victor Torres Merino等人在本文研究了在宽带隙(WBG)钙钛矿太阳能电池中，通过调整空穴传输层(HTL)/钙钛矿界面处的价带最大值(VBM)能量对准，来提高光稳定性。通过使用自组装单层(SAMs)的混合物，实现了对HTL的VBM的精确调控，从而显着增强了WBG钙钛矿太阳能电池的长期光稳定性。研究表明，通过优化界面能量对准，可以有效减少钙钛矿中的卤化物分离，进而提高电池的性能和稳定性。

图1. 钙钛矿和SAM薄膜的能量对齐

A. 使用PESA测量的SAM HTL和钙钛矿的价带最大值（VBM）。

X轴：Br-2PACz和MeO-2PACz的比例。

Y轴：VBM位置（PESA）。

观察：不同SAM材料的VBM位置变化，Br-2PACz和MeO-2PACz的混合比例影响VBM位置。

B. 研究中使用的器件结构材料堆叠。

层次结构：从下到上依次为玻璃、ITO、HTL（SAM）、钙钛矿、ETL（C60\BCP）、Ag接触。

能隙：钙钛矿的能隙分别为1.69 eV、1.81 eV和2.0 eV。

C. SAM分子的化学结构及其水接触角。

2PACz：接触角65.5°。

Me-4PACz：接触角93.4°。

Br-2PACz：接触角74.4°。

MeO-2PACz：接触角57.2°。

(MeO)-2PACz：接触角68.2°。

D. 使用DFT计算的SAM分子的HOMO能量。

Br-2PACz：-6.04 eV，偶极矩4.66 D。

2PACz：-5.79 eV，偶极矩2.01 D。

Me-4PACz：-5.48 eV，偶极矩1.76 D。

MeO-2PACz：-5.32 eV，偶极矩1.58 D。

背景或挑战: 钙钛矿基多结(MJ)太阳能电池因其高效率和低成本制造的潜力而受到广泛关注。然而，WBG钙钛矿的光稳定性问题限制了其商业化应用。卤化物分离是导致WBG钙钛矿太阳能电池性能下降和稳定性降低的主要原因之一。

方法: 本研究通过使用不同比例的MeO-2PACz和Br-2PACz SAMs的混合物，来调整HTL的VBM，以匹配不同带隙的钙钛矿。通过光致发光(PL)演化和瞬态表面光电压(Tr-SPV)光谱学等技术，研究了界面能量对准对钙钛矿太阳能电池光稳定性的影响。

发现: 研究发现，通过优化HTL/钙钛矿界面处的VBM能量对准，可以显着减少卤化物分离，从而提高WBG钙钛矿太阳能电池的长期光稳定性。此外，PL演化可以定性预测WBG钙钛矿太阳能电池的光稳定性。

结论: 本研究证明了通过调整HTL/钙钛矿界面处的VBM能量对准，可以有效提高WBG钙钛矿太阳能电池的光稳定性。这一发现为开发具有更高稳定性的钙钛矿太阳能电池提供了新的策略。

研究目的

这项研究的目的是调查价带能级在孔收集界面上的对宽带隙（WBG）钙钛矿太阳能电池光稳定性的影响。通过调整在孔传输层（HTL）和钙钛矿之间的界面上的价带最大（VBM）能级对准，研究人员旨在减少卤化物分离并改善这些太阳能电池的长期光稳定性。通过使用自组装单分子层（SAMs）来微调HTL的VBM，使其与不同带隙的钙钛矿的VBM相匹配。研究表明，优化界面能级对准可以显着提高WBG钙钛矿太阳能电池的光稳定性。

研究发现

能量势垒和积累：

研究发现，空穴收集界面处的能量势垒导致空穴在靠近界面的钙钛矿中积累，这反过来引发阴离子在同一位置积累。相反，能级偏移导致电子在靠近界面处积累，导致阳离子积累。这一理解有助于解释界面能量对准如何影响钙钛矿层内载流子和离子的分布。

这表明，能量屏障或偏移的形成显着影响了钙钛矿层内电荷载体和离子的分布。在孔传输层（HTL）和钙钛矿之间的能级不匹配直接导致了孔或电子在界面附近的积累，以及相应的阴离子或阳离子的积累。

光稳定性和界面能量对准：

通过优化空穴传输层（HTL）和钙钛矿之间界面的价带顶（VBM）能量对准，作者能够显着减少卤化物分离。这种卤化物分离的减少导致宽带隙钙钛矿太阳能电池的光稳定性提高。这一发现强调了精确调节界面能级对提高钙钛矿太阳能电池稳定性的重要性。

(A–C) Computational simulations of valence band energy offset, alignment, and barrier between the HTL and the perovskite layer of (A) charge carrier(electrons [e] and holes [h]) density distribution at the HTL/perovskite interface at 0.96 V. (B) Mobile ion (cations [C] and anions [A]) density distribution

across the perovskite film adjacent to the HTL/perovskite interface at 1 V. (C) maximum mobile ion densities at the HTL/perovskite interface at 1 V.

A.  在0.96 V下的载流子密度分布

X轴：从ITO/HTL界面的距离（μm）。

Y轴：电荷密度（cm³）。

观察：不同HTL（能障、偏移、对齐）下的电子（e）和空穴（h）密度分布。结果显示，能障和偏移HTL导致界面处电荷积累，而对齐HTL则显示出均匀的电荷分布。

B. 在1 V下的离子密度分布

X轴：钙钛矿深度剖面（nm）。

Y轴：离子密度（cm³）。

观察：不同HTL（能障、偏移、对齐）下的阴离子（A）和阳离子（C）密度分布。结果显示，能障和偏移HTL导致界面处离子积累，而对齐HTL则显示出均匀的离子分布。

C. HTL界面处的最大离子密度

X轴：HTL属性（能障、对齐、偏移）。

Y轴：最大离子密度（cm³）。

观察：不同HTL下的阴离子和阳离子密度。结果显示，偏移HTL导致最高的阴离子和阳离子密度，而对齐HTL则显示最低的阴离子密度。

(D) Minimalistic scheme of charge density and mobile ions under light stress at the HTL/perovskite interface when their VBMs are aligned, in offset or in barrier, and smoothed normalized MPPT of 1.69 eV devices under AM1.5G.

随着时间增加的光照应力对不同HTL的影响

左图：不同HTL（对齐、偏移、能障）下的电荷和离子分布示意图。

右图：不同HTL下的最大功率点（PMPP）随时间变化。

观察：对齐HTL显示出最稳定的PMPP，而偏移和能障HTL则显示出显着的性能下降。

载流子和移动离子密度模拟：

进行了模拟以计算开路条件下的电荷载体和移动离子密度分布。这些模拟显示出与实验结果相似的行为，验证了观察到的电荷和离子积累趋势。模拟结果与实验观察结果的一致性验证了作者对机制的理解。模拟为界面能量对齐对光稳定性的影响提供了理论基础。

准费米能级分裂（QFLS）测量：

研究使用超光谱显微镜测量光致发光信号并计算QFLS。活性区域内QFLS的统计分布提供了关于电池光稳定性的洞见。QFLS测量提供了对电池性能和稳定性的定量衡量。作者解释这些测量结果是钙钛矿层内能量分裂的直接指标，受界面能量对齐的影响。

(A) Quasi-fermi level splitting (QFLS) (glass/ITO/HTL/perovskite) and median VOC for each perovskite band-gap PSC (1.69, 1.81, and 2.00 eV) with

different SAM HTLs (MeO-2PACz, Br-2PACz, MeO:Br-2PACz mixture, and 2PACz). Error bars correspond to the standard deviation of each QFLS

calculated value.

A.  QFLS和开路电压（Voc）的比较

X轴：不同的SAM材料（MeO-2PACz、(MeO)-2PACz、Br-2PACz、2PACz）。

Y轴：QFLS（eV）和Voc（V）。

观察：不同能隙（1.69 eV、1.81 eV、2.0 eV）下，QFLS和Voc的变化。QFLS和Voc在不同SAM材料之间存在显着差异。

B) Differential lifetimes (tdiff) of the three different perovskites on different ITO/SAM interfaces. The differential lifetimes were calculated from

biexponential fits to the normalized TA photobleach signals (DT/Tn), using the equation: tdiff = _{dln(DT/Tn)/dT}_1. The dashed lines represent

monoexponential decay fits to the bulk perovskites/quartz (black; tbulk) or to the Br-2PACz/2.0 eV perovskite sample (red). The slope of the charge

transfer decay (SCT), the time corresponding to the completion of charge transfer (tCT), and the saturation lifetime (tsat) are all shown for the example of MeO-2PACz/1.69 eV perovskite.

B.   差分寿命与泵探延迟时间的关系

X轴：泵探延迟时间（ns）。

Y轴：差分寿命（ns）。

观察：不同能隙（1.69 eV、1.81 eV、2.0 eV）下，不同SAM材料的差分寿命。曲线显示了电荷转移（SCT）、电荷复合（τCT）和饱和（τsat）阶段。

瞬态吸收（TA）和光致发光（PL）表征：

观察：使用TA和PL测量来研究载流子提取和复合的动力学。作者观察到淬灭效率和衰减动力学的差异与界面能量对准相关。这些测量提供了对载流子动力学及其如何受界面条件影响的更深入理解。

光焱科技建议：可透过Enlitech 光焱科技的LQ-100X-PL光致发光与发光量子产率测试系统来进行PL测试，光焱科技LQ-100X-PL可以协助研究者快速进行in situ PL，并智能化绘制2D、3D智慧型图表，更可搭载EL-EQE量测模组，达到一机双用，量测PLQY以及EL-EQE的效果。

(A) Evolution of PL emission peak of 1.69 eV perovskite tracked over 40 min with 2PACz (blue) and (MeO:Br)-2PACz (green) HTLs.
A. 在光照应力下40分钟内1.69 eV钙钛矿的PL发射峰演变

X轴：波长（nm）。

Y轴：归一化PL强度（a.u.）。

观察：在光照应力下，2PACz（蓝色）和(MeO)-2PACz（绿色）HTL的PL发射峰变化。结果显示，2PACz HTL的PL强度增加，表明碘化物富集相的形成。

(B) PL intensity ratio of segregated and mix perovskite phases over 40 min showing faster segregation when 2PACz was used in contrast to (MeO:Br)-2PACz.
B. 碘化物富集相/混合相比率的PL强度比随时间变化

X轴：时间（分钟）。

Y轴：PL强度比。

观察：2PACz和(MeO)-2PACz HTL的PL强度比随时间变化。2PACz HTL的PL强度比显着增加，而(MeO)-2PACz HTL的PL强度比变化较小。

(D) Tr-SPV of half-stack devices (ITO/HTL/perovskite).
D. 1.69 eV钙钛矿的SPV振幅随时间变化

X轴：时间（s）。

Y轴：SPV振幅（V）。

观察：2PACz和(MeO)-2PACz HTL的SPV振幅随时间变化。结果显示，2PACz HTL的SPV振幅变化较大，而(MeO)-2PACz HTL的SPV振幅变化较小。

(C) Cross-sectional HAADF-STEM image with corresponding elemental mapping of complete device stack after 40 min of MPP tracking under AM1.5G

C.   1.69 eV钙钛矿的截面STEM图像和碘化物分布

上图：2PACz HTL的STEM图像和碘化物分布。显示了碘化物在界面处的积累和耗尽。
下图：(MeO)-2PACz HTL的STEM图像和碘化物分布。显示了碘化物均匀分布。

GIWAXS表征：

观察：使用掠入射广角X射线散射（GIWAXS）来研究钙钛矿薄膜的结构特性。测量提供了关于薄膜晶体度和取向的信息，分析补充了光学和电学表征，提供了对钙钛矿材料性质的全面理解。

长期运行稳定性：

观察：作者追踪了钙钛矿太阳能电池随时间的运行稳定性，包括有封装和无封装的情况。他们发现优化的界面能量对准导致长期稳定性的提高，展示了研究发现对开发商业可行的钙钛矿太阳能电池的实际意义。

研究方法

准费米能级分裂（QFLS）计算：
- 过程：从440 µm x 320 µm的有源区域收集了光致发光（PL）信号。使用405 nm连续波激光作为激发光源。收集的数据经过自行构建的MATLAB代码分析，并基于广义普朗克定律计算了QFLS。统计分布显示了来自有源区域的计算QFLS，其中每个单次计数值代表了一个3 µm x 3 µm像素的QFLS。
FIB和TEM测量：
- 过程：通过STEM对器件沿横截面的微观结构和元素进行了映射研究。使用FIB制备了一个厚度约为75 nm的透射电子透射层片。在FIB加工期间，对感兴趣区域进行了保护性涂层。最终清洁是以低电流进行的，以去除污染。TEM实验是在收敛束STEM模式下进行的，配备有EDS用于元素映射。
Tr-PL测量和分析：
- 过程：样品安装在氮气充满的室内。激发和发射通过钙氟化物观察口耦合。发射被聚焦到光谱仪的入口狭缝上，并用示波器单元检测。获得的3D图像（时间、波长和发射强度）被分解为相应的2D组件（光谱和时间），后者被拟合为双指数函数，以获得“慢”和“快”寿命组件。计算得到的幅度平均寿命被用作比较不同HTL/钙钛矿层堆叠中的萃取动力学的优势指标。
瞬态吸收（TA）测量：
- 过程：使用相邻二极管读数对应于激发后样品的透射和没有激发脉冲的透射进行AT/T计算。测量值在几千次射击中进行平均，以获得良好的信噪比。透射光学系统引起的啁啾被一项自行构建的MATLAB代码纠正。通过对峰值波长±~15 nm处的动力学跟踪来监测光漂洗动力学。将动力学拟合为双指数衰减方程，以确定衰减成分的寿命。
KPFM测量：
- 过程：在空气氛围下进行测量。采用Lift Mode表面电位成像（AM-KPFM），其中通过标准振荡模式AFM进行第一次传递以获得表面形貌，并在第二次传递中测量表面电位。参考样品是高度有序的石墨烯（HOPG）。在每次测量前后对尖端进行了校准。工作功能（WF）值被确定为至少三次独立扫描的平均值。
UPS和IPES测量：
- 过程：通过线性拟合光电发射信号来计算价带最大值。进行UPS和低能反向光电子能谱（LE-IPES）以研究表面工作功能（WF）和价带最大值（VBM）。采用真空紫外不带滤光片的He（I）（21.22 eV）光源进行电子能谱测量。样品被偏置10 eV以观察二次电子截止。在样品和分析仪之间以80°夹角收集光电子，正常电子起飞角。对于价带区域和二次电子截止，定常分析器通过能量（CAE）为5 eV。通过IPES进行表面传导带最小值（CBM）的研究，其在20-30 eV能量下由具有0.25 eV能量分散的电子源进行。
器件制造和表征：
- 过程：通过将PbBr2、PbI2、CsI和FAI在DMF中以1.1 M的浓度混合以及不同的化学计量比来制备钙钛矿溶液，以获得不同的带隙。SAM溶液在无水乙醇中以1 mM的浓度准备。ITO基板依次用洗涤剂水、去离子水、丙酮和异丙醇（IPA）清洁15分钟。残留溶剂通过干净的空气吹干。
模拟AM1.5G照明测试：
- 过程：获取了器件的J-V曲线。扫描速度为200 mV/s，停留时间为0.01 V。J-V测量在0.1 cm²的孔径面积下，室温下在氮气手套箱内进行。在AM1.5G和~40°C下跟踪未封装的器件的运行稳定性。使用Solar simulator进行封装器件的长期运行稳定性测试，配备混合气体等离子灯。使用自动研究跟踪器进行MPPT测量，遵循三点扰动法。
- 光焱科技建议：模拟AM1.5G照明测试，可以使用Enlitech光焱科技所设计制造的SS-X系列A+光谱级别太阳光模拟器，可满足从50*50mm~220*220mm光斑大小需求，光焱科技智能化KA6000与KA-viewer软件，采用与Nrel相同的MPPT追踪法，可以快速精准量测IV曲线，并且四向出光的设计可以让整合手套箱无障碍。

Continuous MPP tracking of encapsulated devices under AM1.5G (and 40C) with the different band-gaps/HTL blend.
A. 在AM1.5G连续照明下封装设备的最大功率点（MPP）跟踪

1. 1. X轴：时间（小时）。
  2. Y轴：最大功率点（PMPP，%）。

观察：不同能隙（1.69 eV、1.81 eV、2.0 eV）下，不同SAM材料（MeO-2PACz、(MeO)-2PACz、2PACz）的PMPP变化。结果显示，MeO-2PACz和(MeO)-2PACz在长期稳定性方面表现优于2PACz。

(B) Schematic depicting energy barrier and energy offset at the HTL/perovskite interface.
B. HTL/钙钛矿界面的能量屏障和能量偏移示意图

1. 1. 能量级：显示了HTL和钙钛矿之间的价带最大值（VBM）和导带最小值（CBM）。
  2. 观察：示意图展示了HTL和钙钛矿之间的能量对齐情况，强调了能量屏障和能量偏移的存在。

C. 计算的每种HTL/钙钛矿组合的能量屏障和偏移

1. 1. X轴：不同的SAM材料（MeO-2PACz、(MeO)-2PACz、2PACz、Br-2PACz）。
  2. Y轴：能量差（eV）。
  3. 观察：使用UPS和PESA测量的能量屏障和偏移。结果显示，不同SAM材料在不同能隙下的能量屏障和偏移存在显着差异。

这篇文章深入探讨了宽带隙(WBG)钙钛矿太阳能电池中的一个关键问题：光稳定性。作者们通过调整空穴传输层(HTL)和钙钛矿之间的界面能量对准，特别是通过使用自组装单层(SAMs)的混合物来精细调控VBM，成功地提高了WBG钙钛矿太阳能电池的长期光稳定性。这项研究不仅揭示了界面能量对准在减少卤化物分离中的重要作用，还为提高钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性提供了新的思路。

文章中提到的实验方法包括光致发光(PL)演化和瞬态表面光电压(Tr-SPV)光谱学等，这些技术帮助研究者们深入理解了界面能量对准对电池光稳定性的影响。此外，作者们还通过理论模型和实验数据分析，进一步验证了他们的发现。

总的来说，这篇文章不仅在技术层面上提供了新的见解，还在实际应用层面上为钙钛矿太阳能电池的商业化提供了重要支持。随着研究的不断深入和技术的不断进步，我们有理由相信，钙钛矿太阳能电池将在未来的能源领域扮演越来越重要的角色。

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廖, 婉清 — Tue, 23 Jul 2024 03:40:03 +0000

香港科技大学周圆圆教授团队开拓全新“微表面工程” ，提升钙钛矿太阳能电池稳定性

Enlitech-顶尖团队评分！

钙钛矿太阳能电池（PSC）凭借其高效率和低成本的优势，被认为是下一代光伏技术的主力军。但是，钙钛矿材料本身的稳定性和可控性问题，是限制其大规模应用的关键因素。近年来，科学家们一直致力于开发更稳定高效的钙钛矿太阳能电池，并在材料、结构、制备工艺等方面取得了显着的进展。

近期，香港科技大学周圆圆教授团队在Nature Energy 期刊发表了重磅研究成果。他们的研究揭示了钙钛矿薄膜单个晶粒表面的微观特征，并提出了一种全新的 “微表面工程” 策略，以提升钙钛矿太阳能电池的性能。

晶粒表面凹陷：隐藏的效率和稳定性杀手

钙钛矿薄膜是由一个个微小的晶粒组成，而单个晶粒的表面形状会影响薄膜在微观层面的性质。然而，人们对晶粒表面的几何特征鲜有研究。周圆圆教授团队的这项研究首次发现了钙钛矿薄膜晶粒表面存在的 “晶粒表面凹陷”（GSC）, 并揭示了 GSC 对钙钛矿太阳能电池性能的影响。

周圆圆教授是香港科技大学化学系的教授，她的团队在钙钛矿太阳能电池和有机光电子材料领域拥有丰富的研究经验，并在国际重要期刊发表了大量的科研论文。

研究团队发现:

钙钛矿薄膜晶粒表面的 GSC 主要是由晶粒生长过程中的两种现象造成的:

双轴拉伸应变: 当晶粒融合时，会产生双轴拉伸应变，导致晶粒表面出现凹陷。

晶界沟槽: 随着晶粒的长大，晶界也会逐渐变粗，在表面形成沟槽，这些沟槽也可能会导致晶粒表面出现凹陷。

GSC 对钙钛矿太阳能电池性能的影响非常显着，主要体现在以下几个方面：

影响载流子传输: GSC 存在于钙钛矿/电荷传输层（CTL）的界面，会阻碍载流子在界面处的收集，从而降低电池效率。

降低界面稳定性: GSC 会增加界面的化学和热机械应力，进而降低钙钛矿/CTL 界面的稳定性。

揭秘钙钛矿薄膜表面的奥秘-巧妙消除 “晶粒表面凹陷”，实现突破性效率和稳定性提升

为了克服 GSC 对钙钛矿太阳能电池性能带来的不利影响，周圆圆教授团队设计了有效的策略，通过引入 tridecafluorohexane-1-sulfonic acid potassium (TFSAP)，有效地抑制了钙钛矿晶粒的生长，从而减少了 GSC 的形成。

该策略的主要优势在于：

减少应力和缺陷: TFSAP 可以与钙钛矿薄膜的表面发生反应，减缓晶粒的生长速度，降低晶界沟槽的形成，并抑制双轴拉伸应力的产生，从而有效地消除 GSC 的形成。

提高稳定性和效率: 通过消除 GSC，可以提升钙钛矿/CTL 界面处的电荷提取效率，减少界面处的非辐射复合，提升电池的稳定性和效率。

实验结果证实了该团队提出的 “微表面工程” 策略的有效性。他们利用 TFSAP 处理后的钙钛矿太阳能电池，在标准的热循环、潮湿热、最大功率点跟踪测试中，都展现出了更出色的性能，验证了 “微表面工程” 对于提高钙钛矿太阳能电池的耐久性和性能的重大意义。

周圆圆教授团队的研究揭示了钙钛矿晶粒表面形态对于太阳能电池性能的重要影响，也为未来的钙钛矿材料和器件设计提供了全新的思路。这项成果进一步彰显了钙钛矿太阳能电池作为未来能源技术重要组成部分的潜力，为更清洁、更高效、更稳定的太阳能光伏技术的开发提供了重要的参考依据。

该团队的研究揭示了钙钛矿晶粒表面 “微观特征” 对于器件性能的重要性，并提出一种全新的 “微表面工程” 策略，通过分子调控手段，有效地抑制了晶粒表面的凹陷，最终实现了高效稳定的钙钛矿太阳能电池。

参考文献

Elimination of grain surface concavities for improved perovskite thin-film interfaces_Nature Energy. 15 July 2024_ DOI: 10.1038/s41560-024-01567-x

本研究参数图

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joseph-enli — Tue, 23 Jul 2024 03:14:58 +0000

韩国成均馆大学 Nam-Gyu Park 开创钙钛矿太阳能电池抗潮湿新纪元，以“微封装” 技术实现卓越稳定性

Enlitech-顶尖团队评分！

钙钛矿太阳能电池（PSC）凭借其高效率、低成本和可制备性，成为了下一代光伏技术的重要方向。然而，钙钛矿材料的稳定性问题，尤其是其对湿度的敏感性，一直是限制其走向大规模应用的关键障碍。

为了突破这一瓶颈，科研人员在过去几年里发展了许多策略来提升钙钛矿太阳能电池的抗湿性。目前优化的钙钛矿太阳能电池的研究方法主要包括以下几个方面：

材料组分优化: 通过改变钙钛矿层的组分，例如掺杂不同的阳离子或阴离子，来提高其光电转换效率和稳定性。

界面工程: 改善钙钛矿层与电极之间的界面，减少界面缺陷和能量损失，提高电池的整体效率。

添加剂使用: 在钙钛矿材料中引入添加剂，例如配位溶剂和配位添加剂，以改善晶体质量和薄膜形貌。

封装技术: 开发高效的封装方法来保护钙钛矿材料，减少其在潮湿和氧气环境中的降解，从而提高电池的使用寿命。

稳定剂应用: 使用化学稳定剂来提升钙钛矿太阳能电池的热稳定性和光稳定性。

结构设计: 通过设计不同的电池结构，例如迭层或多结钙钛矿太阳能电池，以提高其光捕获能力和光电转换效率。

光管理技术: 应用反射膜、光子晶体等技术来优化光的吸收和利用，提升电池的效率。

制备工艺改进: 优化钙钛矿薄膜的制备工艺，例如旋涂法、气相沉积法等，以获得高质量的钙钛矿薄膜。

但现有的方法往往存在局限性，例如：仅仅覆盖在材料表面的保护层无法有效阻止水分进入钙钛矿层，或在器件制备过程中引入额外的材料，可能会降低效率或者影响材料的稳定性。

近期，韩国成均馆大学 Nam-Gyu Park 教授团队在 ACS Energy Lett. 期刊上发表了一篇具有开创性的研究成果。他们通过 “原位微封装” 的巧妙设计，为解决钙钛矿材料的抗湿性问题提供了一条新的道路。

Nam-Gyu Park 教授是韩国成均馆大学化学工程学院教授，也是韩国成均馆大学能源科学与技术研究所（SIEST）的负责人，他带领的研究团队长期专注于钙钛矿材料的合成、器件设计以及性能优化方面，在国际知名期刊发表过大量高质量论文。

微封装：巧妙的设计，为钙钛矿太阳能电池筑起一道坚固的防线

该团队突破性地使用环氧树脂 (bisphenol A diglycidyl ether) 和异佛尔酮二胺 (isophorone diamine) 进行原位聚合反应, 在钙钛矿材料的晶界处形成了一层致密的聚合物薄膜，将钙钛矿晶粒包裹起来，形成了类似“微封装”的结构。

这一巧妙的设计，不仅有效地提高了钙钛矿材料的抗湿性，而且为钙钛矿太阳能电池的稳定性带来了双重益处:

缺陷钝化: “微封装” 可以有效地钝化钙钛矿材料表面的缺陷，减少了界面处的不良复合，提升电池效率。
隔水防潮: “微封装” 结构如同一道屏障，阻挡了水分进入钙钛矿层，有效保护钙钛矿材料免受潮湿环境的破坏，提高器件稳定性。

卓越性能: 开启钙钛矿太阳能电池无限潜力新时代

采用 “微封装” 技术制备的钙钛矿太阳能电池，不仅获得了 95 倍的抗湿性提升，更保持了 80% 的初始效率 165 小时。这一成果证明了 “微封装” 技术对于提高钙钛矿太阳能电池抗潮湿能力和稳定性的有效性。

此外，由于 “微封装” 技术是一种原位操作，没有引入额外的材料，因此能够最大程度地保留材料的特性，提升电池性能，降低制造成本。

“微封装” 技术突破了传统抗湿策略的局限性，为提高钙钛矿太阳能电池的稳定性提供了一种全新的思路。这项研究成果具有巨大的应用潜力，为钙钛矿太阳能电池的实际应用打下了坚实的基础。

未来，科研人员可以进一步研究“微封装”技术，探索更优的材料和制备工艺，实现更高效、更稳定的钙钛矿太阳能电池，为推动可再生能源的发展贡献更大的力量。

该团队通过巧妙的原位微封装技术，成功克服了钙钛矿太阳能电池的抗湿性问题，显着提升了其效率和稳定性，为钙钛矿太阳能电池的应用打开了新的思路，推动了光伏技术的不断发展。

重要技术参数：

抗湿性: 提高了 95 倍的抗湿性

长期稳定性: 在 70% 的相对湿度下，保持 80% 的初始效率超过 165 小时。

关键技术: 原位微封装

参考文献

Microencapsulation of Grain Boundaries for Moisture-Stable Perovskite Solar Cells _ ACS Energy Lett. 2024 _ DOI: 10.1021/acsenergylett.4c01150

本研究参数图

Figure S15. (a) Statistical photovoltaic parameters of reverse scanned (solid lines) and forward scanned (dashed lines) Jsc, Voc, FF and PCE and (b) best performing J-V data of control, R-, Hand PoEC-processed PSCs. Perovskite films were not post-treated with 4MeO-PEAI

Figure S19. EQE and integrated Jsc of the control and PoEC-processed PSCs

Figure S20.(a) Ideality factors derived from light intensity dependent Voc from J-V curves for

(b) control and (c) PoEC-processed PSCs.

仪器推荐

QE-R

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joseph-enli — Tue, 23 Jul 2024 03:10:12 +0000

开创未来能源！河南大学与KAUST合作提高碳电极钙钛矿太阳能电池效率

Enlitech-顶尖团队评分！

钙钛矿太阳能电池（PSC）因其出色的光电转换效率、低廉的生产成本以及简便的制造工艺，近年来成为光伏技术研究的热门方向。钙钛矿材料具有优异的光吸收特性和可调节的能带结构，使其在光伏领域展示出巨大潜力。传统的PSC多采用金属电极（如金、银等），虽然这些金属电极能够提供良好的导电性，但其高昂的成本和复杂的制备工艺限制了大规模应用。

为了降低生产成本并提升器件的柔性可加工性，研究人员逐渐将目光转向碳材料电极。碳电极不仅价格低廉、资源丰富，而且在高温和湿度等恶劣环境下表现出更好的稳定性。此外，碳材料的多样性和可加工性使其能够适应柔性太阳能电池的需求，进一步拓宽了PSC的应用前景。

尽管如此，如何提升碳电极钙钛矿太阳能电池的光电转换效率仍然是该领域面临的一个重大挑战。当前的研究主要集中在优化碳电极的结构、改进钙钛矿层的质量以及提升电荷传输效率等方面。通过与国际知名研究机构的合作，如河南大学与中东地区的KAUST联合攻关，科学家们正在不断探索新的方法和材料，力求突破效率瓶颈，推动钙钛矿太阳能电池技术的进一步发展。

碳电极钙钛矿太阳能电池的结构主要包括以下部分:

基底材料：通常是玻璃或者柔性塑料。

导电氧化物层：例如FTO（掺氟氧化锡）或者ITO（氧化铟锡），用于作为底电极。

电子传输层（ETL）：例如二氧化钛 (TiO₂) 或氧化锌 (ZnO)，用于电子的传导。

钙钛矿吸光层：通常为有机–无机杂化钙钛矿材料，例如甲胺铅碘 (MAPbI₃)。

空穴传输层（HTL）: 例如聚噻吩 (PEDOT) 或氧化镍 (NiO)，用于空穴的传导。

碳电极层：碳电极可以通过涂覆、印刷或者喷涂的方法沉积在空穴传输层上。

近期，河南大学谭付瑞等科研人员在 Nano Micro Small 期刊上发表了一篇重要研究成果，他们在碳电极钙钛矿太阳能电池领域取得了突破性进展。研究团队通过对传统的空穴传输层材料聚（3-己基噻吩）（P3HT）进行精细的分子排列控制，有效地提高了电池的性能。

精准操控，突破传统材料瓶颈，提升碳电极钙钛矿太阳能电池性能

Stefaan De Wolf教授是沙特阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST) 太阳能中心的教授，他的研究团队致力于提升钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性，在该领域有着重要的影响力。

与一般3D钙钛矿太阳能电池的主要差异如下：

电极材料: 一般 3D 钙钛矿太阳能电池常用金属电极（例如金、银）作为顶电极，而碳电极钙钛矿太阳能电池使用廉价且稳定的碳材料。

成本和稳定性: 碳电极相对于贵金属电极成本更低，并且在高温和潮湿环境下表现出更好的稳定性。

制备方法: 碳电极的制备可以更加简单和低成本，适用于大规模生产。

设备性能: 由于碳电极的导电性和光学特性与金属电极不同，可能会对太阳能电池的效率和光电转换性能产生影响。

研究团队指出，传统使用的 P3HT 空穴传输层材料，其分子通常会呈现出 “边缘取向” (Edge-on) 的排列模式，导致其烷基侧链直接接触钙钛矿层，阻碍了钙钛矿/P3HT 界面的高效电荷传输。为了克服这一挑战，该团队开发了一套协同策略，通过添加剂和溶剂工程，成功地将 P3HT 空穴传输层的分子排列模式转变为 “三维取向” (3D Orientation) 。这种新的排列方式不仅提高了电荷传输速率，而且增强了 P3HT 薄膜的抗湿性能，同时也优化了 P3HT 材料与钙钛矿层的能级排列，促进了载流子的收集和转移。

这项创新技术带来以下积极成果：

高效载流子传输: 新排列的 P3HT 薄膜可以有效降低电荷传输阻抗，使光生载流子能够更快速地转移到电极，从而提高电池的短路电流密度。
抗湿性提升: 改进的分子排列模式提高了材料的抗湿能力，从而增强了电池的稳定性。
优化能级匹配: 更精确的分子排列能够优化材料的能级排列，促使电子或空穴更有效地从钙钛矿层传输到电极，从而提升电池的开路电压和填充因子。

创新合作，显着提高碳电极钙钛矿太阳能电池性能

这项研究成果使得小面积 (0.04 cm2) 和大面积 (1 cm2) 的器件分别取得了 20.55% 和 18.32% 的显着效率，这在碳电极钙钛矿太阳能电池领域堪称领先。

研究团队使用光焱科技的 QE-R 光伏 / 太阳能电池量子效率光学仪和 SS-X 系列 A+ 级太阳光模拟器对所制备的碳电极钙钛矿太阳能电池进行了测试。

光焱科技的 QE-R 设备能够准确测量电池在不同波长下的外量子效率 (EQE)，帮助研究人员更准确地分析材料的光电转换特性。

光焱科技的 SS-X 系列 A+ 级太阳光仿真器则能够模拟真实的阳光照射条件，使研究结果更接近实际应用情况。

该团队的研究突破了碳电极钙钛矿太阳能电池领域一直存在的瓶颈，为设计更高效的碳电极器件提供了新思路。更重要的是，这种新型材料结构也有望应用在其他光电器件中，例如柔性器件和串联太阳能电池等等。

该研究团队成功地利用新策略，将传统空穴传输材料的分子排列方式进行了优化，从而提升了碳电极钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。他们的研究成果在探索新型高性能太阳能电池领域取得了重要进展，未来将会为可再生能源的发展注入更大的活力。

重要技术参数：

小面积器件效率： 20.55%

大面积器件效率： 18.32%

关键技术: P3HT 分子取向调控

关键设备: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太阳能电池量子效率光学仪以及 SS-X 系列 AM1.5G A+ 级太阳光模拟器

参考文献

Molecular Orientation Regulation of Hole Transport Semicrystalline-Polymer Enables High-Performance Carbon-Electrode Perovskite Solar Cells _Nano Micro Small. July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.015

本研究参数图

Figure S1. J-V curves of devices based on P3HT HTL deposited via different solvent.

Figure S2. J-V curves of devices based on P3HT HTL deposited via different additive

Figure S3. J-V curves of devices based on P3HT HTL deposited via different amount of additive.

Figure S23. a) PLQY values of the pristine perovskite film (PVK), PVK/control P3HT (10mg/mL), PVK/Target P3HT (10mg/mL); b) PLQY values of the pristine perovskite film (PVK), PVK/control P3HT (0.5mg/mL), PVK/Target P3HT (0.5mg/mL); c) Voltage loss originated from non-radiative recombination for the pristine perovskite film (PVK), PVK/control P3HT (0.5mg/mL), PVK/Target P3HT (0.5mg/mL).

仪器推荐

QE-R

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joseph-enli — Tue, 23 Jul 2024 03:06:36 +0000

Adv. Mater. 香港理工大学李刚教授团队：巧用绝缘聚合物矩阵，为全小分子有机太阳能电池的稳定性树立新标杆

Enlitech-顶尖团队评分！

有机太阳能电池（OPV）凭借其轻薄、柔性可弯曲和成本低廉等优势，成为新一代光伏技术的重要发展方向。而近年来，全小分子有机太阳能电池（ASM OPV）因其更易于合成、更高的材料可重复性、以及更易于精确调控材料特性等优点，受到科研人员的广泛关注。与聚合物太阳能电池相比，全小分子有机太阳能电池ASM OPV 具有以下显著的优势和劣势：

优点:

高纯度和可控性: 小分子材料可以通过精确的化学合成获得高纯度，这使得材料特性更易于控制和重现，从而提高电池性能的一致性和稳定性。
电子迁移率高: 小分子材料通常具有较高的电子迁移率，这有助于提高电池的光电转换效率。
溶液加工性: 小分子材料通常易溶于有机溶剂，适合溶液加工技术，例如旋涂、刮涂和印刷，这些技术具有低成本和大面积制备的潜力。
结构灵活性: 小分子材料的化学结构可以通过分子设计灵活调整，以优化光吸收、电荷传输和能级匹配。
热稳定性: 小分子材料的结构稳定性较高，一般具有更好的热稳定性，这有助于提高电池的使用寿命。

缺点:

薄膜形成难度: 小分子材料在成膜过程中容易出现结晶和相分离现象，这会影响薄膜的均匀性和电池性能。
溶剂选择有限: 虽然小分子材料可以溶解在有机溶剂中，但合适的溶剂选择有限，这可能会影响制程的灵活性。
机械柔韧性较差: 小分子材料的机械柔韧性一般不如聚合物材料，这可能会影响电池在柔性基板上的应用。
成本相对较高: 由于小分子材料的合成过程较为复杂，纯度要求高，其成本通常高于聚合物材料。
能级匹配挑战: 小分子材料的能级匹配需要精确设计，这对材料设计和制备提出了更高的要求。

另外， ASM OPV 系统也存在着一些问题，例如其分子堆积和聚集结构通常比聚合物系统更加脆弱，导致其在实际应用中更容易发生性能衰退。

近期，香港理工大学李刚教授团队在 Advanced Materials 期刊上发表了重要研究成果，为提升全小分子有机太阳能电池的稳定性指明了新方向。

巧妙设计：绝缘聚合物矩阵筑牢稳定性堡垒

为了解决全小分子有机太阳能电池稳定性不足的问题，该团队采用了独特的设计思路，他们将一种称为苯乙烯–乙烯–丁烯–苯乙烯 (SEBS) 的绝缘聚合物添加到了小分子材料混合体系中。

SEBS 作为一种具有优异的机械强度和化学稳定性的绝缘聚合物，能够有效地抑制活性层中分子发生降解和重组，从而有效地提高了电池的稳定性。

研究人员通过对不同的 SEBS 含量进行对比实验，发现适量的 SEBS 能够显着提升电池的寿命：

当 SEBS 含量为 1 mg/ml 时，该团队实现了惊人的结果，电池寿命 (T80) 的预测值高达 15000 小时，远超未添加 SEBS 以及大量添加 SEBS 的电池 (分别为 900 小时和 30 小时)。

该研究结果表明， SEBS 是一种能够在不影响活性层材料可重复性和成本效益的前提下，显著提高 ASM OPV 稳定性的理想材料。

SEBS 的妙用：

抑制分子降解: SEBS 可以作为一种物理屏障，有效抑制活性层中分子，特别是受体分子，发生氧化、降解，从而延长电池寿命。

抑制形貌变化: SEBS 可以有效地抑制活性层发生非晶化或者结晶程度发生变化，从而保持活性层结构稳定，有利于保持较好的光电转换性能。

虽然添加 SEBS 会使电池的初始效率略有下降，但这主要是因为 SEBS 的加入改变了活性层的分子排列，而非导致了材料自身的降解。当添加量为 1 mg/ml 时，该团队依然能维持 15.02% 的电池效率，仍然是无卤溶剂制备的全小分子有机太阳能电池的优异水平。

稳定性提升，效率依然出色

该研究工作为全小分子有机太阳能电池稳定性的提升提供了一条全新的道路。未来，通过进一步研究 SEBS 以及其他绝缘聚合物的应用，研究人员有望开发出性能更加优异的太阳能电池，并在更广阔的应用领域中取得更大的突破，最终推动绿色可再生能源的发展。

香港理工大学李刚教授团队的这项研究，通过巧妙的 “绝缘聚合物矩阵” 的设计策略，有效地提高了全小分子有机太阳能电池的稳定性，并将电池寿命延长至令人惊叹的 15000 小时。这项突破性成果为开发更稳定、更实用的全小分子有机太阳能电池提供了新的思路，对未来推动光伏技术的应用具有重要的意义。

参考文献

Insulator Polymer Matrix Construction on All-Small-Molecule Photoactive Blend Towards Extrapolated 15000 Hour T80 Stable Devices_Adv.Mater.. 11 July 2024_ DOI: 10.1002/adma.202405005

本研究参数图

Figure 1. a) Chemical structure of BM-ClEH, BO-4Cl, and SEBS. b) Schematic diagrams of the morphology upon adding SEBS. c) J-V characteristics of BM-ClEH:BO-4Cl based solar cells with different SEBS concentrations. d) EQE spectra of related devices. e) MPP tracking curves of studied devices. f) Summary of recent progress on OSC device efficiencies and stabilities for PD:SMA, PD:PA/GMA, and SMD:SMA types of systems. g) Thermal stability of BM-ClEH:BO-4Cl:SEBS photovoltaic blends. h) Schematic diagram of morphology evolution under light and thermal treatments

Figure S14. J-V characteristics of fresh ASM OSCs with/without SEBS based on BTR-Cl:BO-4Cl and B1:BO-4Cl systems cast from CF, and corresponding full light soaking stability.

仪器推荐

QE-R

SS--X

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joseph-enli — Thu, 18 Jul 2024 03:33:42 +0000

香港科研团队持续发力，两篇Joule期刊文章展现钙钛矿太阳能电池的未来潜力

Enlitech-顶尖团队评分！

近年来，钙钛矿太阳能电池（PSC）因其高效、低成本、易制备等特点，成为下一代光伏技术的领跑者。为了推动钙钛矿太阳能电池的进一步发展，来自中国香港的科研团队持续发力，在国际顶尖期刊 Joule 上接连发表两篇重要研究成果。这两篇研究展现了钙钛矿太阳能电池技术的未来潜力，并为解决目前面临的挑战提供了新的思路。

香港城市大学和南昌大学联合团队：突破性研究打造高效率、稳定、全纹理钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池

第一项研究成果发表在 2024 年 7 月的 Joule 期刊上，由香港理工大学 Alex K.-Y. Jen 教授和南昌大学姚凯教授共同领导。他们提出了一种全新的应力控制策略，在全纹理硅芯片上构建了垂直异质结构 (SHS) 的钙钛矿–晶硅叠层太阳能电池，该器件在工业规模的全纹理晶硅片上展现出令人瞩目的效率。 Alex K.-Y. Jen 教授，是香港城市大学材料科学学院教授，他是化学与材料领域世界领先的科学家之一。他的团队长期致力于新型有机电子材料的设计合成以及功能器件研究，发表过大量的论文和专利。同时，也是光焱科技的长期合作伙伴，积极利用光焱科技先进的量测设备，推动科研工作。他们的研究表明:

在全纹理硅芯片上制备高质量的钙钛矿薄膜，一直以来是科研人员面临的重大挑战之一。

全纹理钙钛矿–晶硅叠层太阳能电池在研究和应用中可能会遇到以下主要瓶颈:

材料稳定性

钙钛矿材料的长期稳定性仍然是一个重大挑战。钙钛矿材料对环境条件（如湿度、氧气和光照）非常敏感，容易发生降解。这会导致电池效率的快速下降，影响其实际应用。

界面工程

在叠层结构中，钙钛矿和晶硅之间的界面非常关键。界面处的缺陷、界面应力以及能级匹配等问题都会影响载流子的传输效率。解决这些问题需要精细的界面工程，但这也是一个复杂且具有挑战性的研究领域。

制备工艺

叠层太阳能电池的制备工艺相对复杂，需要多层材料的精确控制和叠加。确保每一层材料的质量和均匀性，避免在制造过程中产生缺陷，这是实现高效叠层电池的关键。

规模化生产

实验室环境下可以实现高效的全纹理钙钛矿–晶硅叠层太阳能电池，但如何将这种高效能转化为大规模生产仍然面临许多技术和经济上的挑战。需要开发稳定、高效、低成本的制造工艺。

环境兼容性

钙钛矿材料中通常含有铅，这对环境和健康具有潜在危害。如何开发无铅或低铅的钙钛矿材料，同时保证电池的高效性，是当前研究的重要方向。

寿命和可靠性

虽然钙钛矿–晶硅叠层太阳能电池在实验室条件下可以表现出高效率，但其长期使用寿命和可靠性尚未得到充分验证。在实际应用中，电池需要在各种环境条件下保持稳定的性能，这对其寿命和可靠性提出了更高的要求。

成本控制

尽管钙钛矿材料的成本相对较低，但叠层结构的复杂性和制造工艺的精细控制增加了整体生产成本。如何在保证高效能的前提下降低生产成本，是推动其商业化应用的关键。

由于结构复杂，传统的工艺难以在全纹理硅芯片上形成均匀的钙钛矿薄膜，并且可能造成严重的应力问题，影响电池性能。

团队提出的应力控制策略，利用真空蒸镀方法在埋入界面构建垂直 3D/3D 应力异质结 (SHS)。

通过调控埋入缓冲层钙钛矿材料的成分，可以有效控制钙钛矿薄膜的应力，并促进晶体的生长。

此外，应力控制还能有效降低界面复合损失，并提高内置电势。

这项突破性的成果，使得全纹理钙钛矿–晶硅叠层太阳能电池的认证效率达到 31.5%，并成功地将电池的稳定性提升到了 800 小时的持续运行。

香港科技大学、香港城市大学和北卡罗来纳州立大学联合团队：颠覆传统聚合物受体分子设计策略提高全聚合物太阳能电池效率

第二项研究成果同样发表在 2024 年 7 月的 Joule 期刊上，由香港科技大学颜河教授、香港城市大学朱宗龙教授以及北卡罗来纳州立大学Harald Ade 教授共同领导。他们针对当前有机太阳能电池的瓶颈问题 – 效率偏低以及稳定性不足 – 提出了一种全新的聚合物受体分子设计策略: 颜河教授是香港科技大学化学系教授，长期致力于有机电子材料和器件研究，在国际顶尖期刊发表大量学术成果，是该领域的著名学者之一。朱宗龙教授是香港城市大学化学系教授，他的研究团队一直致力于开发新型有机光伏材料，并探索更高效的太阳能电池制备技术。 Harald Ade 教授是北卡罗来纳州立大学材料科学与工程系的教授。他带领的团队是全球纳米尺度材料表征研究领域的领导者之一，专注于新型先进材料的设计和开发。他们的研究表明:

传统聚合物受体分子通常使用 “端-端” 连接模式进行聚合。这种设计方式会导致分子之间的空间位阻，降低了分子的堆积和有序度，进而影响了材料的载流子传输效率和器件性能。

使得效率提升的研究上面临以下主要瓶颈：

材料性能

光吸收效率： 聚合物材料的光吸收范围和能力相对有限，导致光电转换效率较低。开发具有更宽光谱吸收范围和更高吸光系数的聚合物材料是提高效率的关键。

电荷载流子迁移率： 聚合物材料的电荷载流子迁移率普遍较低，影响了光生载流子的有效分离和传输，导致电池的内部量子效率降低。

能级匹配

供体和受体材料的能级匹配： 聚合物太阳能电池的效率高度依赖于供体和受体材料之间的能级匹配。能级匹配不当会导致电荷分离效率低下和复合损失增加。找到理想的供体和受体组合，优化能级匹配，是提升效率的重要途径。

界面工程

相分离和形貌控制： 在全聚合物太阳能电池中，供体和受体材料的相分离和形貌对电池性能有重要影响。需要在纳米尺度上控制相分离和形貌，以优化电荷分离和传输路径，这一过程非常复杂且难以精确控制。

界面改性：聚合物和电极之间的界面需要进行改性，以降低界面电阻和抑制电荷复合。合适的界面层材料和界面改性方法的开发是提高电池效率的关键。

制备工艺

溶液加工方法： 全聚合物太阳能电池通常采用溶液加工方法，但这一方法容易引入缺陷和不均匀性，影响电池性能。如何在溶液加工过程中保持材料的均匀性和结构的稳定性是一个重要挑战。

薄膜质量： 制备高质量的薄膜是提高电池效率的前提。薄膜中的缺陷、粗糙度和结晶度都会影响电荷的传输和复合。

环境稳定性

聚合物材料的稳定性相对较差，容易受到环境因素（如氧气、湿度、光照等）的影响而降解。材料的降解不仅会降低电池效率，还会影响其使用寿命。提高聚合物材料的环境稳定性，是实现高效且持久的全聚合物太阳能电池的必要条件。

电子和空穴传输层

优化传输层材料： 电子和空穴传输层在全聚合物太阳能电池中起着至关重要的作用。传输层材料的选择和优化对电池的开路电压、短路电流和填充因子都有显着影响。

成本与可制造性

尽管聚合物太阳能电池的材料成本较低，但制备高性能电池所需的精细控制和优化过程增加了制造成本。开发低成本、易于大规模生产的制备工艺，是推动其商业化应用的关键。

该团队通过引入一种全新的 “核–核” 连接模式，将 Y 系列单体分子连接成一个特殊的 “双层楼” 结构，使不同单体单元在同一聚合物中形成分子内堆积，有效提升了分子排列的紧密度，并促进了电荷的离域化和传输。

该团队利用这种新颖的策略成功合成了一种新的聚合物受体材料，并将该材料应用于三元全聚合物太阳能电池，最终实现了 18.7% 的高效率，展现出优异的性能。

全纹理钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池与全聚合物太阳能电池的对比分析

应用领域：

全纹理钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池：

大规模发电： 由于其高效能和良好的稳定性，这种太阳能电池常用于大规模太阳能发电厂。
建筑集成光伏（BIPV）： 因为可以在现有建筑物表面集成，所以适用于高层建筑、屋顶等场景。
智能电网： 配合储能系统使用，为智能电网提供稳定的电力输出。

全聚合物太阳能电池：

柔性电子产品： 由于其轻便、柔性好，常用于可穿戴设备和便携式电子产品。
建筑涂层： 可以作为建筑涂层材料应用，利用阳光进行能量转换。
环境传感器： 由于其制造成本低，可用于大规模分布式传感网络中，为环境监测提供电源。

差异性：

材料组成：
- 全纹理钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池： 采用钙钛矿材料和晶硅材料的结合，利用两种材料的不同带隙，实现更高的光电转换效率。
- 全聚合物太阳能电池： 完全由有机聚合物材料制成，通常具有较低的光电转换效率。
制造工艺：
- 全纹理钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池： 制造工艺相对复杂，需要精密的材料处理和层叠技术。
- 全聚合物太阳能电池： 制造工艺相对简单，通常可以通过溶液加工方法进行大规模生产。
效率和稳定性：
- 全纹理钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池： 具有较高的光电转换效率和稳定性。
- 全聚合物太阳能电池： 效率较低，稳定性也相对较差，但在某些应用场景中，其灵活性和低成本具有优势。

共通性：

环保性： 两者都属于绿色能源技术，能够减少对化石燃料的依赖，减少碳排放。
应用广泛： 都可以用于多种应用场景，虽然重点应用领域不同，但在某些特定条件下可以互为补充。
技术发展： 都是当前太阳能电池技术发展的重要方向，具有广阔的研究和应用前景。

重要技术参数：

第一篇论文:

全纹理钙钛矿/硅串联太阳能电池效率： > 31.5%

第二篇论文：

三元全聚合物太阳能电池效率： > 18.7%

参考文献

Strained heterojunction enables high-performance, fully textured perovskite/silicon tandem solar cells _Joule.15th July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.015

A polymer acceptor with double-decker configuration enhances molecular packing for high-performance all-polymer solar cells

Joule.9th July 2024_ DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.010

本研究参数图

以上为Strained heterojunction enables high-performance, fully textured perovskite/silicon tandem solar cells相关参数图

Fig 2. 紫外可见吸收光谱/荧光发射光谱、电化学能级以及分子模拟结果

Fig3. 结晶性与相分离表征结果（GIWAXS and RSoXS）以及分子动力学模拟堆积结果

以上为A polymer acceptor with double-decker configuration enhances molecular packing for high-performance all-polymer solar cells相关参数图

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目录

PLQY与QFLS深入解析：预测光伏材料 iVoc 与 Pseudo J–V 极限

引言

学术理论基础——从PLQY到QFLS与iVoc

1. PLQY 与半导体载子复合机制深入探讨

PLQY 的定义与量化

PLQY 的重要性与应用

2. 准费米能级分裂（QFLS）理论基础

QFLS 与开路电压 (Voc) 的关系：电压的「水位差」

QFLS 与开路电压 (Voc) 的关系：

QFLS 的重要性：

3. Pseudo J-V曲线之预测：一个理想化的蓝图

Pseudo J-V 曲线的构建：基于 QFLS 和理想二极管方程式

Pseudo J-V 曲线的应用：理论与现实的对照

Enlitech QFLS-Maper测量设备的学术价值与技术特性

结论与展望

推荐文章

推荐仪器

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目录

QFLS准费米能级分裂技术指南：评估光伏材料性能上限 太阳能电池性能表征与效率提升的关键参数分析

前言

QFLS基本概念与定义

基本概念

定义

理论公式

QFLS的发展背景

早期理论基础

光伏器件中的应用

现代技术的进步

QFLS在太阳能研究中的重要性

开路电压（VOC）的理论上限

Pseudo J-V 曲线的应用与价值

非辐射复合损失的表征

光电转换效率（PCE）的提升

材料和界面表征的应用

QFLS相关理论

辐射极限

非辐射复合

Pseudo J-V曲线

QFLS的测量计算方法

光致发光量子产率(PLQY)测量

测量步骤

优点：

限制：

电致发光量子产率(ELQY)测量

测量步骤

优点：

限制：

Pseudo J-V 曲线的生成方法

高能尾部拟合方法（HET Fit）

测量步骤

优点：

限制：

电子漂移-扩散模型

模型建立与计算

优点：

限制：

电子结构计算（第一原理）

计算步骤

优点：

限制：

影响因素与修正项

实际计算中的注意事项

QFLS的应用领域与实际案例

太阳能电池性能评估

半导体器件中的QFLS应用

光伏器件损耗分析中的QFLS

基础物理研究中的QFLS

结论

QFLS的核心作用

未来发展

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