前言

在太陽(yáng)能光伏和先進(jìn)材料研究中，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（QFLS）及其空間分布映射（QFLS mapping）是理解材料、診斷器件瓶頸、指導(dǎo)新材料開發(fā)和工藝優(yōu)化的關(guān)鍵工具。

QFLS是光生載流子（電子與空穴）在非平衡態(tài)下的化學(xué)勢(shì)能差。理論上，它直接等于理想器件的開路電壓（Voc）。但實(shí)際器件中，傳輸層和電極界面存在電化學(xué)勢(shì)損失，導(dǎo)致這個(gè)理想關(guān)系"不匹配"。分析這種不匹配，是提升光伏技術(shù)的突破口。

QFLS為何在光伏研究中如此重要？

QFLS直接衡量光伏吸收層材料質(zhì)量，代表器件開路電壓的理論上限。我們通過(guò)校準(zhǔn)光致發(fā)光（PL）光譜直接測(cè)量QFLS，避開制作完整器件時(shí)的復(fù)雜界面問(wèn)題。通過(guò)QFLS，能直接評(píng)估材料本身的復(fù)合活性，幫助研究者在材料開發(fā)初期了解其內(nèi)在潛力。

QFLS測(cè)量直接量化太陽(yáng)能電池中的輻射復(fù)合與非輻射復(fù)合損失。非輻射復(fù)合是導(dǎo)致QFLS偏離輻射極限的主要原因。通過(guò)這個(gè)差異，能準(zhǔn)確識(shí)別電壓損失的根源：來(lái)自材料本身的體復(fù)合，還是界面問(wèn)題。

解讀QFLS與Voc的“不匹配之謎"

理論上，QFLS應(yīng)等于器件的外部開路電壓Voc（Voc = ΔEF/q）。但實(shí)際器件中，兩者常有差異。這個(gè)差異揭示了界面處電化學(xué)勢(shì)損失的存在。

德國(guó)Fraunhofer ISE的Uli Würfel教授團(tuán)隊(duì)在2021年《Energy Technology》上指出，平面鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的Voc提升了250mV，但PL信號(hào)變化不到兩倍 [1]。他們認(rèn)為，這可以用少數(shù)載流子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)（QFL）向?qū)?yīng)電極方向的梯度來(lái)解釋。異質(zhì)結(jié)中載流子速度飽和可能導(dǎo)致QFL不連續(xù)。在離子運(yùn)動(dòng)影響下，不匹配現(xiàn)象更明顯。這說(shuō)明，即使材料本身質(zhì)量好，如果界面電化學(xué)勢(shì)傳輸不佳，外部Voc也無(wú)法體現(xiàn)內(nèi)部QFLS的潛力。

圖片取自：Ion Movement Explains Huge VOC Increase despite Almost Unchanged Internal Quasi-Fermi-Level Splitting in Planar Perovskite Solar Cells – Fig.2

德國(guó)Potsdam University的Martin Stolterfoht教授團(tuán)隊(duì)在2021年《Advanced Energy Materials》中，詳細(xì)闡述了QFLS-Voc不匹配的機(jī)制 [2]。他們定義了多數(shù)載流子的選擇性因子（selectivity, Se,maj），此因子與多數(shù)和少數(shù)載流子接觸電阻有關(guān)。通過(guò)圖1的能帶圖，他們展示了選擇性與非選擇性電洞接觸層如何影響QFL的彎曲程度，進(jìn)而導(dǎo)致QFLS-Voc不匹配。低遷移率中間層的存在也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的QFLS-Voc不匹配，即使QFLS持續(xù)提升，Voc卻可能下降。Fig. 5(b)、5(c)和5(d)的模擬結(jié)果顯示了低遷移率中間層如何影響QFLS的梯度和Voc的下降趨勢(shì)。

圖片取自：Mismatch of Quasi–Fermi Level Splitting and Voc in Perovskite Solar Cells – Fig.1

要快速篩選具有高效率潛力的材料，并優(yōu)化傳輸層材料，QFLS-Maper檢測(cè)設(shè)備可以提供快速且準(zhǔn)確的QFLS量測(cè)，進(jìn)而預(yù)測(cè)材料的理論效率上限并生成Pseudo J-V曲線。這樣，研究者就能在組件制備前，迅速掌握材料潛力，大幅減少試錯(cuò)成本與時(shí)間。

QFLS Mapping：可視化揭示材料均勻性與缺陷

單點(diǎn)QFLS量測(cè)重要，但材料在微觀尺度上的均勻性對(duì)器件性能有決定性影響。QFLS mapping技術(shù)能提供材料表面QFLS分布的可視化圖像，讓材料優(yōu)劣一目了然。通過(guò)QFLS mapping，能直接觀察材料各區(qū)域的QFLS差異，識(shí)別局部缺陷或不均勻性問(wèn)題。

英國(guó)University of Cambridge的Sam Stranks教授團(tuán)隊(duì)在2025年《ACS Energy Letters》中，利用超光譜絕對(duì)PL成像技術(shù)獲取了次電池的QFLS映射圖 [3]。他們比較了GO/2PACz串聯(lián)電池與參考電池的QFLS分布，結(jié)果顯示GO/2PACz串聯(lián)電池在低帶隙（LBG）和寬帶隙（WBG）次電池中表現(xiàn)出更均勻的QFLS分布。這表示非輻射復(fù)合被抑制，內(nèi)部與外部電壓損失得到改善。Fig. 3(a)和3(b)的QFLS映像圖，以及Supplementary Fig. S14和S15的QFLS分布直方圖，直觀展示了不同界面層對(duì)QFLS均勻性的影響。

圖片取自：Optimized Graphene-Oxide-Based Interconnecting Layer in All-Perovskite Tandem Solar Cells – Fig.3ab

新加坡國(guó)立大學(xué)侯毅教授團(tuán)隊(duì)于2024年發(fā)表在《Energy & Environmental Science》的論文中，展示了不同鈣鈦礦薄膜的QFLS成像圖 [4]。他們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)PhA改質(zhì)的薄膜在整個(gè)檢測(cè)區(qū)域顯示出更高的QFLS值與更佳的空間均勻性，這證明PhA能鈍化缺陷、減少非輻射復(fù)合，從而提升鈣鈦礦薄膜的光電品質(zhì)。Fig. 3(a)呈現(xiàn)了這些結(jié)果。

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

透過(guò)QFLS-Maper檢測(cè)設(shè)備，研究者可以在短短3秒內(nèi)獲得QFLS可視化圖。這樣不僅能快速掌握材料整體的QFLS分布情況，而且能實(shí)時(shí)評(píng)估材料的均勻性與缺陷，對(duì)于早期研發(fā)階段的材料篩選與制程監(jiān)控，具有無(wú)可取代的優(yōu)勢(shì)。

量化能量損失：從PLQY到QFLS

QFLS不僅能定性判斷材料品質(zhì)，更能定量分析能量損失。QFLS的計(jì)算公式為：QFLS = kBT ln (PLQY × JG / J0,rad)。這里的PLQY是光致發(fā)光量子產(chǎn)率，JG是光生電流密度，J0,rad是暗態(tài)輻射飽和電流密度。通過(guò)這些參數(shù)，能精確拆解輻射與非輻射復(fù)合損失的比例。

德國(guó)Potsdam University Martin Stolterfoht教授團(tuán)隊(duì)于2020年發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》的論文中，利用PLQY和JG定量了QFLS [5]。他們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)比較測(cè)量的QFLS與輻射極限的VOC，MAPI和三陽(yáng)離子鈣鈦礦薄膜都存在非輻射復(fù)合損失（MAPI約200 meV，三陽(yáng)離子鈣鈦礦約110 meV）。他們還觀察到，在HTL/鈣鈦礦界面和鈣鈦礦/C60界面的復(fù)合損失增加。Table 2列出了這些損失的數(shù)據(jù)，Supplementary Fig. S5展示了這些損失。這項(xiàng)研究說(shuō)明了QFLS如何精準(zhǔn)定位復(fù)合熱點(diǎn)。

圖片取自：Defect and Interface Recombination Limited Quasi-Fermi-Level Splitting and Open-Circuit Voltage in Mono – Fig.2

中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所逄淑平教授團(tuán)隊(duì)在2024年《Advanced Materials》中，利用QFLS量化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中非輻射復(fù)合造成的能量損失 [6]。他們利用EQE譜計(jì)算JG，并結(jié)合黑體輻射譜計(jì)算J0，精確評(píng)估QFLS。

圖片取自：Enhanced Quasi‐Fermi Level Splitting of Perovskite Solar Cells by Universal Dual‐Functional Polymer – Fig.4b

香港理工大學(xué)李剛教授團(tuán)隊(duì)于2025年《Advanced Materials》中，運(yùn)用QFLS = qVoc,rad + kBT ln(PLQY)的公式解析低VOC虧損的來(lái)源 [7]。他們發(fā)現(xiàn)，在SnO2/鈣鈦礦埋藏界面處，通過(guò)其策略，能量損失Δ(VOC,rad ? QFLS)從62 meV降低至34 meV。Fig. 4(e)和Table S5展示了這些數(shù)據(jù)，證實(shí)超低VOC虧損主要?dú)w因于該界面非輻射復(fù)合的消除。

圖片取自：Buried Interface Regulation with a Supramolecular Assembled Template Enables High-Performance Perovskite Solar Cells for Minimizing the VOC Deficit – Fig.4e

QFLS-Maper檢測(cè)設(shè)備憑借其高達(dá)6個(gè)數(shù)量級(jí)的PLQY靈敏度，能從1E-4%的PLQY值進(jìn)行量測(cè)。而且，它采用NIST可追溯的零組件與國(guó)際認(rèn)可的量測(cè)方式，確保了QFLS量測(cè)的準(zhǔn)確性。這使研究者能夠精確地量化非輻射復(fù)合損失，從而為材料優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

材料與界面工程的指引者

QFLS不僅是診斷工具，更是材料與界面工程的指引。通過(guò)QFLS的變化，能評(píng)估不同傳輸層材料的效果，以及化學(xué)清洗或退火等制程對(duì)吸收層表面性質(zhì)的影響。

盧森堡University of Luxembourg Susanne Siebentritt教授團(tuán)隊(duì)于2018年發(fā)表在《IEEE Journal of Photovoltaics》的論文中，探討了NaF和NaF+RbF后沉積處理對(duì)CIGS薄膜的影響 [8]。他們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)NaF+RbF處理的吸收層，QFLS高于僅經(jīng)過(guò)NaF處理的樣品，這歸因于非輻射復(fù)合的減少，甚至在CdS沉積之前就已發(fā)生。即使是暴露在空氣中、表面降解的吸收層，經(jīng)過(guò)重堿金屬處理后，其QFLS也呈現(xiàn)相同的提升趨勢(shì)，表明堿金屬處理改善了吸收層本身的品質(zhì)和表面。Fig. 3呈現(xiàn)了這些趨勢(shì)。

圖片取自：Influence of Sodium and Rubidium Postdeposition Treatment on the Quasi-Fermi Level Splitting of Cu(In,Ga)Se2 Thin Films – Fig.3

阿爾及利亞Higher National School of Renewable Energies的Hichem Bencherif教授團(tuán)隊(duì)于2025年《Solar Energy》中，研究了在3D鈣鈦礦中引入2D雙結(jié)層和不同電洞傳輸層的影響 [9]。他們發(fā)現(xiàn)，這些優(yōu)化提高了PLQY和QFLS，表明非輻射損失降低。Fig. 5和Table 6展示了這些提升的效果。

圖片取自：Achieving Quasi-Fermi level splitting near its radiative limit in efficient and stable 2D/3D perovskite solar Cells: Detailed balance model – Fig.5a

QFLS-Maper檢測(cè)設(shè)備能進(jìn)行快速的分層QFLS測(cè)試，并支持原位時(shí)間相變化的PL分析。研究者能在制備過(guò)程中，逐層評(píng)估每種材料對(duì)整體性能的影響，迅速辨識(shí)瓶頸，優(yōu)化制程條件與材料選擇。

深入探究載流子動(dòng)力學(xué)與缺陷控制

QFLS不僅與宏觀的器件性能相關(guān)，更深入反映微觀的載流子濃度、壽命和摻霧水平。更高的QFLS，可能意味著更低的復(fù)合活性，也可能指示更高的摻雜濃度。要精確區(qū)分這兩種效應(yīng)，需要QFLS與其他測(cè)量方法的結(jié)合。

中國(guó)河南大學(xué)杜祖亮教授團(tuán)隊(duì)于2023年《Nature Communications》中，探討了如何通過(guò)增加QFLS來(lái)降低量子點(diǎn)發(fā)光二極管的熱產(chǎn)生 [10]。他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于給定電子密度，如果薄膜的吸收率不變，減少QD的堆積密度可以增加電子QFLS。這項(xiàng)研究雖然針對(duì)LED，但其核心思想——通過(guò)優(yōu)化載流子管理來(lái)提升QFLS，同樣適用于光伏領(lǐng)域。

圖片取自：Minimizing heat generation in quantum dot light-emitting diodes by increasing quasi-Fermi-level splitting – Fig1b

QFLS-Maper檢測(cè)設(shè)備不僅能快速獲取QFLS數(shù)據(jù)，其多模態(tài)功能也允許與其他測(cè)量技術(shù)結(jié)合，例如時(shí)間分辨PL（TRPL），從而更全面地分析載流子壽命、摻雜濃度及缺陷密度等深層物理機(jī)制。

結(jié)語(yǔ)

QFLS及其映射技術(shù)已成為光伏研究的工具。它不僅提供了量化能量損失的手段，更在材料篩選、界面工程、制程優(yōu)化和基礎(chǔ)物理理解方面，發(fā)揮指引作用。從宏觀的器件性能診斷，到微觀的載流子動(dòng)力學(xué)與缺陷控制，QFLS提供了多維度的洞察力，加速了新一代高效能光伏器件的開發(fā)進(jìn)程。掌握并善用QFLS分析，是任何從事光伏材料與器件研究的專業(yè)人員的重要技能。

參考文獻(xiàn)

1.            Herterich, J., Unmüssig, M., Loukeris, G., Kohlst?dt, M., & Würfel, U. (2021). Ion movement explains huge VOC increase despite almost unchanged internal quasi-fermi-level splitting in planar perovskite solar cells. Energy Technology, 9(4), 2001104. DOI: 10.1002/ente.202001104

2.            Warby, J., Shah, S., Thiesbrummel, J., Gutierrez-Partida, E., Lai, H., Alebachew, B., Grischek, M., Yang, F., Lang, F., Albrecht, S., Fu, F., Neher, D., & Stolterfoht, M. (2023). Mismatch of quasi–fermi level splitting and Voc in perovskite solar cells. Advanced Energy Materials. DOI: 10.1002/aenm.202303135

3.            Fitzsimmons, M. R., Roose, B., Han, Y., Kang, T., Chiang, Y.-H., Huang, C.-S., Lu, Y., Yang, T. C.-J., Chosy, C., Guan, S., Anaya, M., & Stranks, S. D. (2025). Optimized Graphene-Oxide-Based Interconnecting Layer in All-Perovskite Tandem Solar Cells. ACS Energy Letters, 10(2), 713–725. DOI: 10.1021/acsenergylett.4c03065

4.            Wei, Z., Zhou, Q., Niu, X., Liu, S., Dong, Z., Liang, H., Chen, J., Shi, Z., Wang, X., Jia, Z., Guo, X., Guo, R., Meng, X., Wang, Y.-D., Li, N., Xu, Z., Li, Z., Aberle, A. G., Yin, X., & Hou, Y. (2025). Surpassing 90% Shockley–Queisser VOC limit in 1.79 eV wide-bandgap perovskite solar cells using bromine-substituted self-assembled monolayers. Energy & Environmental Science. Advance online publication. DOI: 10.1039/D4EE04029E

5.            Zhang, S., Shaw, P. E., Zhang, G., Jin, H., Tai, M., Lin, H., Meredith, P., Burn, P. L., Neher, D., & Stolterfoht, M. (2020). Defect/Interface Recombination Limited Quasi-Fermi Level Splitting and Open-Circuit Voltage in Mono- and Triple-Cation Perovskite Solar Cells. ACS Applied Materials & Interfaces, 12(33), 37647–37656. DOI: 10.1021/acsami.0c02960

6.            Liu, D., Chen, C., Wang, X., Sun, X., Zhang, B., Zhao, Q., Li, Z., Shao, Z., Wang, X., Cui, G., & Pang, S. (2023). Enhanced Quasi-Fermi Level Splitting of Perovskite Solar Cells by Universal Dual-Functional Polymer. Advanced Materials. Advance online publication. DOI: 10.1002/adma.202310962

7.            Wang, Z., Liang, Q., Li, M., Sun, G., Li, S., Zhu, T., Han, Y., Xia, H., Ren, Z., Yu, B., Zhang, J., Ma, R., Chandran, H. T., Cheng, L., Zhang, L., Li, D., Chen, S., Lu, X., Yan, C., Azmi, R., Liu, K., Tang, J., & Li, G. (2025). Buried Interface Regulation with a Supramolecular Assembled Template Enables High-Performance Perovskite Solar Cells for Minimizing the VOC Deficit. Advanced Materials. Advance online publication. DOI: 10.1002/adma.202418011

8.            Wolter, M. H., Bissig, B., Avancini, E., Carron, R., Buecheler, S., & Jackson, P. (2018). Influence of Sodium and Rubidium Postdeposition Treatment on the Quasi-Fermi Level Splitting of Cu(In,Ga)Se2 Thin Films. IEEE Journal of Photovoltaics, 8(5), 1320–1325. DOI: 10.1109/JPHOTOV.2018.2855113

9.            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. DOI: 10.1016/j.solener.2024.113144

10.       Gao, Y., Li, B., Liu, X., Shen, H., Song, Y., Song, J., Yan, Z., Yan, X., Chong, Y., Yao, R., Wang, S., Li, L. S., Fan, F., & Du, Z. (2023). Minimizing heat generation in quantum dot light-emitting diodes by increasing quasi-Fermi-level splitting. Nature Nanotechnology, 18(10), 1168–1174. DOI: 10.1038/s41565-023-01441-z