一、研究背景、挑戰與解決方案
現況與瓶頸
三接面疊層太陽能電池是突破晶硅光伏效率極限的途徑，理論蕭基-奎瑟（Shockley–Queisser, S–Q）極限可達49.5%。但實際制備3-J電池的核心挑戰在于鈣鈦礦吸收層的相不穩定性。
用于中間電池（Mid-cell, 約1.50 eV）的碘化甲脒鉛(FAPbI3)基鈣鈦礦，在復雜制程中容易降解，包括重復的加熱/冷卻循環、暴露于環境空氣及水基原子層沉積（ALD）過程。中層鈣鈦礦降解成非光活性的δ相時，器件開路電壓(Voc)從約3.0 V降至約2.0 V，嚴重影響制程重現性。頂部電池（Top-cell, 約2.0 eV）的富溴鈣鈦礦也容易受光誘導相分離影響。
解決方案與核心發現
這項由沙特阿拉伯國王阿卜杜拉科技大學（KAUST）的 Stefaan De Wolf 教授與 Fuzong Xu 博士領導的研究團隊，將成果發表于《自然—材料》（Nature Materials）期刊上。
研究團隊引入3-胺基丙酸碘化物（3-ammonium propionic acid iodide, 簡稱3A）作為添加劑，整合至鈣鈦礦晶格中，增強其在多重制程中的韌性。（圖S7）
3A分子中的羧基（–COOH）與鈣鈦礦晶格中的陽離子（Pb2+、Cs+、FA+）形成額外鍵結。密度泛函理論（DFT）計算證實這些鍵結達到雙重效果：
提高相轉變能壘： 3A修飾將α相到δ相轉變的能壘提高約四倍
抑制缺陷形成： 額外鍵結抑制肖特基缺陷（如VFAI和VPbI2）形成，這些缺陷會促進離子遷移和相轉變
實驗結果顯示，3A修飾有效延遲中間鈣鈦礦（Cs0.05Rb0.05FA0.9PbI3）在約60% RH環境下的δ相形成，并抑制頂部鈣鈦礦在1 sun照光下的光致相分離。
整合穩相鈣鈦礦層后，三接面電池制程重現性大幅提升，器件功率轉換效率（PCE）變異性從4.11降至1.19。最終在1 cm2活性面積上實現28.7%的PCE。（圖4c）
二、準費米能級分裂QFLS表征
準費米能級分裂（Quasi-Fermi Level Splitting, QFLS，記為Δμ）是衡量光伏材料光電質量的核心指針，它直接反映了材料抑制非輻射復合的能力，并與器件潛在的開路電壓上限直接相關。在這項研究中，QFLS表征被作為驗證3A修飾對于鈣鈦礦電子性質實際提升效果的手段。
QFLS表征方法與數據來源
研究采用高光譜成像系統（hyperspectral imaging system）耦合顯微鏡，收集封裝半成品器件的絕對光致發光（Absolute PL）信號。為了模擬p-i-n器件結構，鈣鈦礦薄膜沉積在空穴傳輸層（HTL）/ITO/Si基板上進行QFLS測量。激發光源為532 nm雷射，光照強度相當于1 sun。采集到的數據利用修正后的Würfel廣義普朗克定律（modified Würfel's generalized Planck law）進行分析，從而獲得QFLS值 (Δμ)。
QFLS數據結果解析
研究對中間鈣鈦礦層（Cs0.05Rb0.05FA0.9PbI3）進行了QFLS繪圖（mapping）及統計分析。
QFLS空間分布與數值提升： 圖2a呈現QFLS繪圖及統計結果。3A修飾樣品的QFLS性能明顯優于控制組，其Δμ統計中位數顯著高于控制組和3C修飾組。較高的Δμ證明3A修飾材料具備更高的光電壓潛力，與后續單結器件（Mid-cell）開路電壓從1.12 V提升至1.16 V的結果一致。
PL與TRPL數據左證載子動力學： 3A修飾組表現出更高的PL強度（Supplementary Fig. 20）和顯著延長的載子壽命。
時間分辨光致發光（TRPL）測量結果（圖2b）顯示，3A修飾使載子壽命從控制組的1.39 μs延長至2.33 μs。相較之下，僅使用烷基鏈的3C修飾導致載子壽命急劇下降至0.70 μs。這表明3C引入了更多晶界缺陷，促進非輻射復合，而3A中的羧基有效抵消了這些不利影響。
PL mapping（光致相分離評估）： 研究對頂部鈣鈦礦（Top perovskite, Cs0.4FA0.6PbBr1.7I1.3）進行時間分辨PL光譜測量（圖1f），評估光致相分離。在1 sun照光下，控制組樣品在10分鐘后出現低帶隙相形成（相分離），而3A修飾樣品在45分鐘后仍未觀察到相分離。這證實了3A修飾成功抑制富溴鈣鈦礦的光致不穩定性。
QFLS提供了一個定量的、準器件尺度的光電質量指針。透過QFLS繪圖，研究團隊能夠直觀地比較不同化學修飾下，鈣鈦礦薄膜在光照條件下的非輻射復合損失情況。高的QFLS值直接反映了載子濃度、載子壽命和低缺陷密度，從而證明了3A策略（通過提高相穩定性）成功地提升了鈣鈦礦材料的本質光電性能。
為快速評估此類穩相鈣鈦礦材料潛力，Enlitech QFLS-Maper檢測儀可提供QFLS影像分布與iVoc可視化分析，在三秒內掌握整體材料質量與非輻射復合模式。該儀器能快速測量Pseudo J-V曲線，用于預測材料的理論效率極限，加速載子動力學與缺陷解析。
三、結論與研究成果 (Conclusion and Research Outcome)
該研究成功應對了多接面鈣鈦礦太陽能電池在復雜制程中，因鈣鈦礦相不穩定性導致的效率和重現性受限問題。核心成果與數據驗證如下：
核心穩定化策略與機理驗證
羧基功能化增強相穩定性： 研究團隊將含羧基（–COOH）的3-胺基丙酸碘化物（3A陽離子）引入約1.50 eV的中間層（Mid-cell）和約2.0 eV的頂部層（Top-cell）鈣鈦礦晶格中。
提高相轉變能壘： 密度泛函理論（DFT）計算證實，3A中的羧基與晶格陽離子（如Pb2+、Cs+、FA+）形成額外的鍵結。這些交互作用使α相到δ相轉變的能壘提高了約四倍（詳見Fig. 1d）。
缺陷抑制： 3A修飾策略同時提高了肖特基缺陷（如VFAI和VPbI2）的形成能，從而抑制了促進離子遷移和相轉變的缺陷形成（詳見Fig. 1e）。
抑制光/濕熱不穩定性：
對于中間層鈣鈦礦，3A修飾有效地延遲了在約60% RH環境下的非光活性δ相形成，從控制組的1天延遲至超過3天（參見Fig. 1a）。
對于頂部層富溴鈣鈦礦，3A修飾抑制了1 sun照光下的光致相分離。控制組在10分鐘即發生相分離，而3A修飾組在45分鐘后仍未觀察到相分離（參見Fig. 1f）。
器件性能與穩定性提升
單結器件效率與壽命改善： 3A修飾顯著提升了單結器件的光電性能。例如，中間層鈣鈦礦單結電池的功率轉換效率（PCE）從24.1%提升至25.4%。載子壽命（Charge-carrier lifetime）透過TRPL測量，從控制組的1.39 μs延長至2.33 μs（參見Fig. 2b）。
單結長期穩定性： 3A修飾的約1.50 eV中間層單結器件在85°C/85% RH濕熱老化1,000小時后，仍維持89%的初始PCE（參見Fig. 3c）。
三接面效率創紀錄： 將這些穩相鈣鈦礦層整合到鈣鈦礦/鈣鈦礦/硅三接面（3-J）疊層結構中，最終在1 cm2活性面積上實現了28.7%的高PCE（參見Fig. 4c與Supplementary Table 1）。
制程重現性顯著改善： 該策略大幅改善了三接面電池的制程重現性。器件PCE的統計變異性從4.11降低到1.19（參見Fig. 4b）。
三接面運行穩定性： 在1 sun連續光照下（開路條件），使用3A修飾的未封裝三接面器件在900小時后仍維持85%的初始PCE（參見Fig. 4e）。
文獻參考自nature materials_DOI: 10.1038/s41563-025-02367-8
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