西北工業大學涂用廣、北京大學朱瑞、華僑大學吳季懷教授團隊主導的研究，于2025年在學術期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上發表了一篇名為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) 的關聯，并提出了一種簡單且有效的方法來推進器件性能。

1. 研究背景與挑戰

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導致載流子非輻射復合（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延伸至帶尾（Band Tails），形成能量無序度。

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

為證實此設計，研究團隊進行了熱重分析 (TGA) 實驗（如圖1a所示），證明AmBz在加熱至80°C時即釋放出NH?。隨后，原位釋放的NH?與鈣鈦礦形成可逆的液相絡合物，從而改變了鈣鈦礦的成核和晶體生長動力學，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現電壓的參數。在操作條件下，不可避免的缺陷會增強非輻射復合，降低QFLS，最終導致VOC, loss。

根據詳細平衡理論，開路電壓損失 (VOC, loss) 可分解為三個部分：

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 (研究中兩組Eg=1.57 eV，故qΔV?皆為274 meV)。qΔV?來源于輻射復合和非理想EQE造成的損失，數值較小。qΔV?則是非輻射復合損失，通常是VOC, loss的主要成分。

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

圖 3b： 對照組的EQEEL僅為0.31%，對應qΔV?為149 meV。

圖 3g： AmBz處理組的EQEEL顯著提高至2.11%，對應qΔV?降至99 meV。

這50 meV的非輻射復合損失差異，歸因于AmBz改善了鈣鈦礦晶體質量，降低了注入電荷在薄膜內遇到的能量無序度，進而提高了EQEEL。

研究運用EQEEL和PLQY等光電檢測技術，量化鈣鈦礦的非輻射復合損失，實現VOC提升。為支持此類分析工作，可選用QFLS-Maper準費米能級分裂偵測儀。該儀器整合EL-EQE、PLQY、iVOC及Pseudo J-V等多模塊功能，能在3秒內提供QFLS可視化影像，幫助觀察載流子分布和材料質量（QFLS image），并評估潛在效率極限，可作為鈣鈦礦優化策略的分析工具。

2.2. 光致發光映像 (PL Mapping) 數據解析

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

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

PL Mapping結果與TRPL測量一致：AmBz組平均載流子壽命（τave）延長至1635.43 ns，遠高于Control組的605.64 ns，證實NH?策略有效改善載流子動力學性能。

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

為精確量化能量無序度，研究采用光熱偏轉光譜（PDS）來表征EU。

圖 3c, d： AmBz組的EU測得為23.7 meV，明顯低于對照組的27.5 meV。

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

研究利用EU的數值，根據理論模型計算了由EU引起的體相（bulk）非輻射復合開路電壓損失 (ΔVOCnon-rad)：

圖 3e： 對照組的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)，與實驗中VOC實際提升的52 mV高度吻合。這項定量分析表明，QFLS的顯著提升主要來源于鈣鈦礦薄膜內部能帶尾部損失 (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?策略增強結構有序性、降低EU，從而有效減輕非輻射復合損失的核心物理機制。

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3. 結論與研究成果

研究成功應用原位NH?生成策略調控鈣鈦礦結晶動力學。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間有序排列，并在DFT層面確認了NH?有效抑制缺陷形成。

最終研究團隊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： 器件實現了26.26%的功率轉換效率 (PCE)，VOC高達1.182      V。相較于對照組，VOC提升了52 mV。

• 穩定性： 在ISOS-D-1I協議下，氮氣儲存1100 h后仍保持初始效率的95%以上；在ISOS-D-2I協議下，65°C加熱環境中700 h后仍保持90%以上的穩定性。

• 規模化： 5×5      cm2迷你模塊也達到了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總結了經AmBz處理的鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）在光電性能和長期穩定性上的提升，驗證了NH?原位生成策略、降低能量無序度、并提升準費米能級分裂 (QFLS) 成果的核心數據。

文獻參考自Angewandte Chemie International Edition_DOI: 10.1002/ange.202516464

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