一、研究背景與挑戰

倒置結構（p-i-n 架構）的鈣鈦礦太陽能電池因其優異的內在穩定性及與疊層電池架構的兼容性，已成為光伏商業化具前景的技術路線之一。在鈣鈦礦組合物中，FA(1-x)Cs(x)PbI3因其接近理想的帶隙，具備進一步提升效率的潛力。然而，在溶液制程中，晶體成核、生長及結晶過程的不受控，往往導致晶體取向紊亂，影響載子傳輸與組件穩定性，成為組件性能的關鍵挑戰。

科研人員普遍認為，實現鈣鈦礦薄膜優選的（100）外平面取向是提升光電性能的有效途徑。此種取向能使（100）晶面平行于基板排列，從而賦予薄膜優異的載子傳輸特性并降低缺陷密度。過去的研究多集中于單一添加劑與單一作用機制。

由華中科技大學的陳煒教授與劉宗豪教授，聯合北京工業大學的盧岳教授及深圳技術大學的 Jingbai Li 教授等學者合作的團隊，將其研究成果發表于學術期刊《自然-能源》（Nature Energy）。

研究團隊針對倒置鈣鈦礦太陽能電池中 FA(1-x)Cs(x)PbI3 薄膜結晶取向紊亂的問題，采用雙分子設計策略。該策略涉及在鈣鈦礦前驅體中引入 6-羥基-2-萘磺酸鉀（PHNS）與 6-溴萘-2-胺鹽酸鹽（BNAC），并利用這兩種添加劑中萘結構單元間緊密的芳香族堆棧，精確調控鈣鈦礦的成核與生長過程。此方法達成了強制晶體沿（100）外平面取向有序結晶，同時提升缺陷鈍化的雙重優化效果，從而實現了高效率與高穩定性的倒置PSCs。（圖 2）

二、準費米能級分裂（QFLS）表征與載子動力學解析

為了量化 PHNS+BNAC 雙分子系統對非輻射復合損失的抑制程度，研究團隊采用光致發光量子產率（PLQY）測量進行了準費米能級分裂（QFLS）的直接表征。QFLS是評估光電材料非輻射復合程度的關鍵參數，其數值與組件的開路電壓（VOC）增益直接相關。

QFLS測量方法與數據

研究人員透過穩態PL測量與PLQY測量，對比了未添加（Control）、單獨添加 PHNS 以及雙分子 PHNS+BNAC 處理的鈣鈦礦薄膜的光電特性。

·        QFLS增益：根據 PLQY 數據與 QFLS 的關聯性，研究人員計算了 QFLS 的提升值（ΔQFLS）。PHNS 單獨添加相較于對照組的 QFLS 增益為 31.6 meV；而 PHNS+BNAC 雙分子系統相較于對照組的 QFLS 增益達到 62.3 meV。此 QFLS 增強直接歸因于非輻射復合的有效抑制。（圖 S39）

·        缺陷抑制的量化：PLQY的結果顯示，與對照組薄膜的 0.69% 相比，PHNS單獨處理組的 PLQY 提升至 2.36%。PHNS+BNAC 雙分子處理組的 PLQY 高達 7.78%。（圖3f）

·        載子動力學分析：時間分辨光致發光（TRPL）測量進一步印證了載子動力學的改善。PHNS+BNAC 處理的樣品展現出最長的 PL 壽命（平均壽命 τave 達到 1268.45 ns，對照組為 440.86 ns），強調了雙分子添加劑所帶來的缺陷鈍化和晶體質量。（圖 3c）

·        共焦 PL 和 TRPL 映射：結果顯示，PHNS+BNAC 薄膜具有高且最均勻的 PL 發射強度和載子壽命分布，證實了薄膜內部非輻射復合得到了廣泛抑制。（圖 3d.e）

研究精確量化了 PHNS+BNAC 策略帶來的 QFLS 增益和 PLQY 提升，以驗證非輻射復合的抑制效果。Enlitech QFLS-Maper 準費米能級分裂檢測儀，正是精準表征的理想工具。它能快速3 秒內生成 QFLS 圖像，直觀呈現材料質量分布；更能在 2 分鐘內測量 Pseudo J-V 曲線，助您快速預測材料的VOC潛力和效率極限，高效解析載子動力學問題。

·        缺陷密度驗證：驅動電平電容分析（DLCP）直接證明了 PHNS+BNAC 處理的 PSCs 具有低的缺陷密度。（圖 S30）

QFLS將結晶取向優化和缺陷鈍化這兩種機制所帶來的優勢，直接轉化為潛在的 VOC 提升，為高效能太陽能電池的設計提供了堅實的物理基礎。高 QFLS 值（7.78% PLQY）是該材料體系非輻射損失極低、趨近理想半導體質量的直接證據。

三、結論與研究成果

此研究展示了一種利用 PHNS 和 BNAC 之間芳香族相互作用實現高質量、高穩定性鈣鈦礦薄膜的雙分子策略。這種分子工程不僅促進了沿（100）晶面的有序結晶，還通過增強與空位及晶界缺陷的錨定作用，強化了缺陷鈍化。

核心貢獻與成果摘要：

1.     效率突破：經 PHNS+BNAC 處理的倒置 PSCs，實現了 27.02% 的光電轉換效率（PCE），并經機構認證達到 26.88%，躋身單結鈣鈦礦太陽能電池的水平。（圖 4a.c、圖 S49）

2.     穩定性優異：封裝組件在環境空氣中、連續光照（1-Sun）下的功率點追蹤（MPPT）操作穩定性測試中，經過 2,000 小時后仍保持其初始效率的 98.2%。（圖 4e）

3.     QFLS的核心作用：準費米能級分裂（QFLS）的增益（相較于對照組提升 62.3 meV），直接量化了 PHNS+BNAC 系統對非輻射復合的強效抑制，為器件 VOC 的提升奠定了基礎。

4.     規模化應用潛力：該策略展現出良好的可擴展性，倒置微型模塊（孔徑面積 11.09 cm2）實現了 23.18% 的穩定態認證效率。此外，全鈣鈦礦疊層太陽能電池亦獲得 29.07% 的認證 PCE。（圖 4、圖 S60）

文獻參考自nature energy_DOI: 10.1038/s41560-025-01882-x

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