1. 研究背景與挑戰(zhàn)

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）效率已迅速攀升至約27%，但內(nèi)在不穩(wěn)定性仍是應(yīng)用瓶頸。熱光壓力會(huì)誘導(dǎo)鹵素離子遷移，并觸發(fā)有機(jī)陽(yáng)離子（如FA+或MA+）的去質(zhì)子化，加速材料降解。熱應(yīng)力下，鈣鈦礦釋放質(zhì)子（H+）與碘離子（I-）反應(yīng)生成HI。HI在埋藏界面形成局部酸性環(huán)境，加劇I-遷移，加速缺陷累積，進(jìn)而促進(jìn)FA+的去質(zhì)子化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。若此反應(yīng)發(fā)生于薄膜制備階段，將導(dǎo)致底部空隙與界面缺陷累積，影響載流子傳輸與提取效率。

此項(xiàng)研究由北京交通大學(xué)的宋丹丹教授、懷柔實(shí)驗(yàn)室的Jun Ji研究員、廈門理工學(xué)院的Xiaodan Li教授、及福建師范大學(xué)Dong Wei教授等團(tuán)隊(duì)共同合作完成。核心目標(biāo)是同時(shí)抑制界面質(zhì)子損失與鹵素離子遷移，以優(yōu)化薄膜結(jié)晶質(zhì)量。研究團(tuán)隊(duì)提出「質(zhì)子-離子捕獲」（PIC）策略，透過(guò)在鈣鈦礦與TiO2電子傳輸層埋藏界面引入無(wú)機(jī)鉀鹽—磷酸鉀（KPA）。KPA中的陰離子基團(tuán)捕獲質(zhì)子并與有機(jī)陽(yáng)離子配位，釋放的K+與I-配位，形成協(xié)同離子環(huán)境，有效穩(wěn)定鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，抑制降解。經(jīng)KPA優(yōu)化后，器件的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá)到25.1%，且長(zhǎng)期穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。

2. 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（QFLS）表征與解析

2.1 QFLS 測(cè)量與數(shù)據(jù)結(jié)果

QFLS的計(jì)算基于光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）的測(cè)量，研究結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)KPA改質(zhì)后，鈣鈦礦薄膜的PLQY大幅提升：對(duì)照組的PLQY為5.26%，而KPA改質(zhì)組則提高至9.54%。由此計(jì)算得到的QFLS值也隨之增加（Fig. 5k）：

• 對(duì)照組 QFLS：1.249      eV

• KPA改質(zhì)組 QFLS：1.258      eV

QFLS的提升直接證明KPA有效抑制了非輻射復(fù)合，具備實(shí)現(xiàn)更高開路電壓（VOC）的潛力。最終，優(yōu)化后的器件VOC達(dá)到1.194 V，計(jì)算得出極低的VOC損失（Eg - VOC）為0.35 V，這與QFLS的計(jì)算結(jié)果高度一致。將實(shí)測(cè)VOC與QFLS進(jìn)行比較，KPA組的VOC損失從對(duì)照組的110 mV減少至64 mV。（Fig. 6b.c）

研究藉由精確測(cè)量PLQY與計(jì)算QFLS，最高達(dá)1.258 eV，定量驗(yàn)證了質(zhì)子-離子捕獲策略對(duì)非輻射復(fù)合損失的有效抑制，并透過(guò)PL Mapping技術(shù)確認(rèn)了底層缺陷鈍化的均勻性。

對(duì)于從事光電材料與界面優(yōu)化的研究人員，EnliTech的QFLS-Maper準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂檢測(cè)儀提供了整合性的解決方案。該設(shè)備具備多模式功能，能在3秒內(nèi)可視化顯示QFLS影像，并快速提供PLQY、iVOC和Pseudo J-V曲線數(shù)據(jù)。研究者可利用此功能，快速掌握鈣鈦礦薄膜完整的載流子潛能分布，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)材料效率極限，并同時(shí)檢查界面缺陷鈍化的質(zhì)量與均勻性。

2.2 PL 與 TRPL 載流子動(dòng)力學(xué)分析

定態(tài)PL光譜（Steady-state PL）：在沉積于TiO2層上的鈣鈦礦薄膜上進(jìn)行PL測(cè)量（圖5l）。兩組樣品的光致發(fā)光峰均位于798 nm。但是，KPA改質(zhì)組的PL強(qiáng)度顯著降低，表明KPA分子增強(qiáng)了載流子向TiO2傳輸層的提取效率。

在玻璃基板上的PL測(cè)量（圖S15）顯示KPA改質(zhì)后PL強(qiáng)度顯著增加，這進(jìn)一步證實(shí)KPA有效減少了薄膜體內(nèi)的非輻射復(fù)合。

時(shí)間分辨PL光譜（TRPL）：TRPL曲線采用雙指數(shù)擬合函數(shù)進(jìn)行分析（圖5m），以確定載流子動(dòng)力學(xué)。KPA改質(zhì)組的載流子平均壽命（τave）從對(duì)照組的216.77 ns增加到345.54 ns。其中，快速衰減組件 τ1（通常反映界面載流子提?。?/span>40.51 ns急劇下降至12.46 ns，確認(rèn)了界面提取效率的改善。同時(shí)，慢速衰減組件 τ2（通常反映薄膜體內(nèi)非輻射復(fù)合）從218.74 ns顯著增加到346.71 ns，表明KPA成功減少了薄膜中的非輻射復(fù)合中心。

PL Mapping：研究團(tuán)隊(duì)也利用PL Mapping技術(shù)對(duì)鈣鈦礦底層表面進(jìn)行了表征（圖S10）。KPA改質(zhì)后的底層表面表現(xiàn)出更強(qiáng)且更均勻的發(fā)射強(qiáng)度，直接印證了KPA有效鈍化了底層表面的缺陷，降低了非輻射復(fù)合中心密度。

3. 結(jié)論與研究成果

該研究成功提出并驗(yàn)證了質(zhì)子-離子捕獲（PIC）策略，用于解決鈣鈦礦電池在制備與運(yùn)行過(guò)程中界面質(zhì)子損失與離子遷移的關(guān)鍵降解途徑。

PIC策略的核心貢獻(xiàn)在于KPA分子發(fā)揮了多重界面調(diào)控效應(yīng)：抑制有機(jī)陽(yáng)離子去質(zhì)子化和I?遷移，改善底層表面形貌，誘導(dǎo)定向晶體生長(zhǎng)以緩解殘余應(yīng)變，并優(yōu)化能級(jí)對(duì)準(zhǔn)以促進(jìn)載流子提取。

基于PIC策略制備的PSCs獲得了25.1%的高PCE，伴隨著極低的0.35 V VOC損失。QFLS的表征結(jié)果（1.258 eV）是該效率提升和VOC損失降低的關(guān)鍵科學(xué)證據(jù)，直接量化了缺陷鈍化和非輻射復(fù)合抑制的成果。在穩(wěn)定性方面，未封裝器件在氮?dú)猸h(huán)境下儲(chǔ)存2000小時(shí)后仍保持初始效率的92.8%，連續(xù)光照800小時(shí)后仍保持89.6%。（Fig. 6j.k）

文獻(xiàn)參考自Advanced Functional Materials_DOI: 10.1002/adfm.202518036

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