西北工業(yè)大學(xué)涂用廣、北京大學(xué)朱瑞、華僑大學(xué)吳季懷教授團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的研究，于2025年在學(xué)術(shù)期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上發(fā)表了一篇名為Reducing Energetic Disorder for High-Efficiency Perovskite Solar Cells with Low Urbach Energy by in Situ NH? Generation的論文。研究專注于鈣鈦礦材料中能量無序度（Energetic Disorder）問題及其與開路電壓損失 (VOC, loss) 的關(guān)聯(lián)，并提出了一種簡單且有效的方法來推進(jìn)器件性能。

1. 研究背景與挑戰(zhàn)

金屬鹵化物鈣鈦礦材料（Metal Halide Perovskites）雖然具有缺陷耐受性，但其固有的晶體缺陷仍會(huì)導(dǎo)致載流子非輻射復(fù)合（Non-radiative Recombination），這直接決定了光伏器件的能量損失。這些晶格缺陷造成電子態(tài)延伸至帶尾（Band Tails），形成能量無序度。

研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控鈣鈦礦的結(jié)晶過程，增強(qiáng)晶體的能量有序度，減少缺陷態(tài)。研究團(tuán)隊(duì)采用了一種原位NH?生成策略，將苯甲酸銨 (AmBz) 引入到鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中。AmBz在退火過程中熱分解，釋放出NH?氣體。

為證實(shí)此設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了熱重分析 (TGA) 實(shí)驗(yàn)（如圖1a所示），證明AmBz在加熱至80°C時(shí)即釋放出NH?。隨后，原位釋放的NH?與鈣鈦礦形成可逆的液相絡(luò)合物，從而改變了鈣鈦礦的成核和晶體生長動(dòng)力學(xué)，抑制了過快的相變。

2. QFLS 表征與核心解析

2.1. VOC, loss的QFLS分解與EQEEL表征

QFLS是衡量太陽能電池中載流子濃度和其可實(shí)現(xiàn)電壓的參數(shù)。在操作條件下，不可避免的缺陷會(huì)增強(qiáng)非輻射復(fù)合，降低QFLS，最終導(dǎo)致VOC, loss。

根據(jù)詳細(xì)平衡理論，開路電壓損失 (VOC, loss) 可分解為三個(gè)部分：

qΔVOC, loss = qΔV? + qΔV? + qΔV?

其中，qΔV?為S-Q理論極限損失，與材料能帶隙 (Eg) 相關(guān) (研究中兩組Eg=1.57 eV，故qΔV?皆為274 meV)。qΔV?來源于輻射復(fù)合和非理想EQE造成的損失，數(shù)值較小。qΔV?則是非輻射復(fù)合損失，通常是VOC, loss的主要成分。

研究團(tuán)隊(duì)使用電致發(fā)光量子效率 (EQEEL) 來定量qΔV?。qΔV?可由公式ΔV? = -kT/q ln(EQEEL)獲得。

圖 3b： 對(duì)照組的EQEEL僅為0.31%，對(duì)應(yīng)qΔV?為149 meV。

圖 3g： AmBz處理組的EQEEL顯著提高至2.11%，對(duì)應(yīng)qΔV?降至99 meV。

這50 meV的非輻射復(fù)合損失差異，歸因于AmBz改善了鈣鈦礦晶體質(zhì)量，降低了注入電荷在薄膜內(nèi)遇到的能量無序度，進(jìn)而提高了EQEEL。

研究運(yùn)用EQEEL和PLQY等光電檢測(cè)技術(shù)，量化鈣鈦礦的非輻射復(fù)合損失，實(shí)現(xiàn)VOC提升。為支持此類分析工作，可選用QFLS-Maper準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂偵測(cè)儀。該儀器整合EL-EQE、PLQY、iVOC及Pseudo J-V等多模塊功能，能在3秒內(nèi)提供QFLS可視化影像，幫助觀察載流子分布和材料質(zhì)量（QFLS image），并評(píng)估潛在效率極限，可作為鈣鈦礦優(yōu)化策略的分析工具。

2.2. 光致發(fā)光映像 (PL Mapping) 數(shù)據(jù)解析

PL Mapping是評(píng)估光伏材料薄膜晶體質(zhì)量和缺陷分布的非接觸式檢測(cè)技術(shù)。PL訊號(hào)強(qiáng)度與載流子壽命呈正比，與非輻射復(fù)合率呈反比。研究使用雷射掃描共焦顯微鏡 (Enlitech, SPCM-1000)，506 nm雷射激發(fā)，功率5 μW。

圖2e–g比較了Control組、BA組和AmBz組的PL Mapping光譜。AmBz處理組展現(xiàn)明顯更強(qiáng)的PL信號(hào)，反映晶體質(zhì)量提升和缺陷密度降低。原位NH?生成使晶格排列更有序，抑制非輻射復(fù)合路徑，提高輻射復(fù)合效率。

PL Mapping結(jié)果與TRPL測(cè)量一致：AmBz組平均載流子壽命（τave）延長至1635.43 ns，遠(yuǎn)高于Control組的605.64 ns，證實(shí)NH?策略有效改善載流子動(dòng)力學(xué)性能。

2.3. Urbach能量 (EU) 與非輻射損失 (ΔVOCnon-rad) 的定量關(guān)系

為精確量化能量無序度，研究采用光熱偏轉(zhuǎn)光譜（PDS）來表征EU。

圖 3c, d： AmBz組的EU測(cè)得為23.7 meV，明顯低于對(duì)照組的27.5 meV。

由于EU的靜態(tài)無序部分 (EU(0)) 貢獻(xiàn)極小 (通常低于5 meV)，兩組EU的差異主要來自于動(dòng)態(tài)無序部分 (EU,D)，反映了電子-聲子相互作用的差異。

研究利用EU的數(shù)值，根據(jù)理論模型計(jì)算了由EU引起的體相（bulk）非輻射復(fù)合開路電壓損失 (ΔVOCnon-rad)：

圖 3e： 對(duì)照組的ΔVOCnon-rad為110.71 mV；AmBz組的ΔVOCnon-rad顯著降低至56.38 mV。

EU估算的體相非輻射損失減少了54.33 mV (110.71 - 56.38 mV)，與實(shí)驗(yàn)中VOC實(shí)際提升的52 mV高度吻合。這項(xiàng)定量分析表明，QFLS的顯著提升主要來源于鈣鈦礦薄膜內(nèi)部能帶尾部損失 (Vtailrad) 的有效抑制 (圖 3f)。通過QFLS的分解與定量，該研究清晰地展示了原位NH?策略增強(qiáng)結(jié)構(gòu)有序性、降低EU，從而有效減輕非輻射復(fù)合損失的核心物理機(jī)制。

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3. 結(jié)論與研究成果

研究成功應(yīng)用原位NH?生成策略調(diào)控鈣鈦礦結(jié)晶動(dòng)力學(xué)。在成核和晶體生長過程中，NH?分子延遲了相變，使晶格有更充足的時(shí)間有序排列，并在DFT層面確認(rèn)了NH?有效抑制缺陷形成。

最終研究團(tuán)隊(duì)獲得了具有高度能量有序性的鈣鈦礦薄膜，其EU僅為23.7 meV。

• 光電性能： 器件實(shí)現(xiàn)了26.26%的功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE)，VOC高達(dá)1.182      V。相較于對(duì)照組，VOC提升了52 mV。

• 穩(wěn)定性： 在ISOS-D-1I協(xié)議下，氮?dú)鈨?chǔ)存1100 h后仍保持初始效率的95%以上；在ISOS-D-2I協(xié)議下，65°C加熱環(huán)境中700 h后仍保持90%以上的穩(wěn)定性。

• 規(guī)模化： 5×5      cm2迷你模塊也達(dá)到了21.31%的PCE。

圖4a與圖4b：高性能鈣鈦礦光伏器件的光電性能與滯后特性分析

圖4總結(jié)了經(jīng)AmBz處理的鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）在光電性能和長期穩(wěn)定性上的提升，驗(yàn)證了NH?原位生成策略、降低能量無序度、并提升準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂 (QFLS) 成果的核心數(shù)據(jù)。

文獻(xiàn)參考自Angewandte Chemie International Edition_DOI: 10.1002/ange.202516464

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