一、研究背景與挑戰(zhàn)

倒置鈣鈦礦太陽能電池效率快速提升，自組裝分子因其能級可調(diào)控、高空穴提取效率及超薄低損耗特性，成為理想的空穴選擇層。然而在ITO基板上透過溶液制程制備均勻致密的自組裝分子層仍具挑戰(zhàn)性。自組裝分子的兩親性易引起自聚集，導(dǎo)致覆蓋不均，影響膜層取向和堆棧密度，限制器件效率與穩(wěn)定性。

該研究由多個機構(gòu)共同完成，由香港城市大學(xué)Alex K.-Y. Jen及河南大學(xué)陳石教授團隊進(jìn)行研究，發(fā)表在頂刊《Advanced Materials》。研究團隊采用共組裝策略，引入2,3,5,6-四氟對苯二甲酸（BCA）或2,3,5,6-四氟-4-硫烷基苯甲酸（BSCA）作為共吸附劑，調(diào)控[4-(3,6-二苯基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸（Ph-4PACz）在氧化銦錫表面的吸附構(gòu)型。（圖1a.b）

二、準(zhǔn)費米能級分裂表征：載子動力學(xué)與非輻射復(fù)合解析

準(zhǔn)費米能級分裂（QFLS）是衡量半導(dǎo)體材料和界面處非輻射復(fù)合損失程度的關(guān)鍵指標(biāo)，直接反映光伏器件的內(nèi)在電壓潛力。研究利用QFLS測量，對比三種不同自組裝分子接口結(jié)構(gòu)下鈣鈦礦薄膜的電學(xué)品質(zhì)。

1. QFLS的表征方法與數(shù)據(jù)來源

研究團隊透過測量鈣鈦礦薄膜沉積在不同自組裝分子基板上的光致熒光量子產(chǎn)率（PLQY），計算出QFLS值。QFLS的計算基于詳細(xì)平衡理論（detailed balance theory），采用相應(yīng)公式進(jìn)行量化。

其中輻射極限下的QFLS rad計算值為1.286電子伏特，JG為光生電流密度，J0,rad為暗態(tài)輻射復(fù)合飽和電流密度等參數(shù)均納入計算考慮。

2. QFLS測量數(shù)據(jù)與核心發(fā)現(xiàn)

研究結(jié)果如圖3f及Supplementary Table 5所示，展示自組裝分子構(gòu)型調(diào)控對QFLS的影響：

ITO/Ph-4PACz（純自組裝分子）樣品：PLQY為2.19%，QFLS為1.187 eV，VOC非輻射損失（Delta VOC）為99 mV。

ITO/BCA-Ph（共組裝）樣品：PLQY為4.00%，QFLS為1.203 eV，VOC非輻射損失（Delta VOC）為83 mV。

ITO/BSCA-Ph（共組裝）樣品：PLQY為5.62%，QFLS為1.212 eV，VOC非輻射損失（Delta VOC）為74 mV。（圖S27）

BSCA誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化：實驗證實，平面吸附的BCA傾向于穩(wěn)定Ph-4PACz在傾斜構(gòu)型約54.03度，而傾斜吸附的BSCA則誘導(dǎo)Ph-4PACz采取近乎垂直取向約6.61度。這種垂直對齊（standing-up geometry）形成更致密、更均勻的自組裝分子層。（圖1c.d）

PL mapping 的結(jié)果直接顯示，鈣鈦礦薄膜沉積在 BSCA-Ph 界面上時，其 exposed bottom surface 表現(xiàn)出顯著增強的均勻性和更強的 PL 強度。這種空間上強而均勻的發(fā)光訊號，定性地反映了埋藏界面處非輻射復(fù)合損失的降低。（圖3d.e）

藉由QFLS精確量化了接口非輻射復(fù)合損失，證實BSCA接口QFLS提升至1.212 eV，使VOC損失降低至74 mV。Enlitech的QFLS-Maper準(zhǔn)費米能級分裂檢測儀可測量PLQY與QFLS以評估VOC潛力。該儀器配備QFLS Image可視化功能，能在3秒內(nèi)顯示樣品的準(zhǔn)費米能級分布圖，識別薄膜與接口的不均勻區(qū)域，分析非輻射復(fù)合位置，有助于接口工程與材料優(yōu)化研究。

非輻射復(fù)合損失的量化抑制：BSCA引入后，PLQY從2.19%提高到5.62%（圖3f）。QFLS值從1.187 eV提升至1.212 eV。這種QFLS的提高直接證明BSCA-Ph接口處的載流子復(fù)合更傾向于輻射復(fù)合，而非輻射復(fù)合損失（Delta VOC）也從99 mV降低至74 mV。

輔助動力學(xué)驗證：QFLS的提升與其他載流子動力學(xué)分析一致。

時間分辨光致熒光（TRPL）測量結(jié)果顯示，BSCA-Ph樣品的平均載流子壽命（tau avg）增加（圖S25b）。

經(jīng)BSCA處理后，鈣鈦礦薄膜的表面復(fù)合速度（SRV）從15.53 cm/s下降至3.30 cm/s（圖S26）。

空間電荷限制電流（SCLC）分析亦表明，BSCA-Ph器件的陷阱態(tài)密度降低，為4.16×10的15次方 cm-3。（圖3g）

SS-LED太陽光模擬器：高效鈣鈦礦電池測試解決方案

研究通過精確測量J-V曲線，展示了26.75%的高效率，并依賴1500小時連續(xù)光照MPPT追蹤，證實了器件的穩(wěn)定性。

SS-LED大面積LED太陽光模擬器具備Class A++光譜和時間穩(wěn)定性（<0.5%），適用于光敏鈣鈦礦電池的表征測試。SS-LED提供220 mm × 220 mm大面積照射與10,000小時以上使用壽命，可進(jìn)行本研究中的大面積器件測試及長期運行穩(wěn)定性評估

三、結(jié)論與研究成果

研究透過共組裝分子BSCA，將空穴傳輸自組裝分子層Ph-4PACz的吸附構(gòu)型從傾斜轉(zhuǎn)變?yōu)榻醮怪钡膶R方式，改善自組裝分子層的均勻性與致密性，并優(yōu)化能級對準(zhǔn)。

這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化產(chǎn)生高質(zhì)量的鈣鈦礦埋藏接口，有效加速電荷傳輸，同時抑制接口處的非輻射復(fù)合。QFLS數(shù)據(jù)支持這一結(jié)論，其量化結(jié)果表明VOC損失減少25 mV。

1.         高效率成果：基于BSCA-Ph的倒置鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了26.72%的高功率轉(zhuǎn)換效率，經(jīng)國家光伏產(chǎn)業(yè)測量與測試中心認(rèn)證效率為26.75%。（圖4b.c、圖S31）

l   開路電壓達(dá)到1.187 V，與QFLS預(yù)測的低Delta VOC結(jié)果高度吻合

l   大面積（1 cm2）器件亦實現(xiàn)了25.21%的功率轉(zhuǎn)換效率。（圖4e）

2.        優(yōu)異的長期穩(wěn)定性：結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯著提升了器件的耐用性（圖4g.h）

l   在連續(xù)光照下（功率點追蹤）運行1500小時后，器件仍保持其初始功率轉(zhuǎn)換效率的90%以上

l   在85攝氏度條件下連續(xù)加熱1000小時后，器件仍維持了92%的初始效率

文獻(xiàn)參考自Advanced Materials_DOI: 10.1002/adma.202514623

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