研究背景與挑戰(zhàn)

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）面臨的主要挑戰(zhàn)是長期操作穩(wěn)定性，特別在高溫與光照結(jié)合的「光熱應(yīng)力」條件下。鈣鈦礦材料的固有軟晶格特性導(dǎo)致碘容易從晶體中逃逸，造成碘損失及光伏性能衰退。

揮發(fā)性碘分子(I₂)會(huì)穿透載流子傳輸層，侵蝕頂部金屬電極，形成自我加速的降解循環(huán)。現(xiàn)有穩(wěn)定策略包括改善結(jié)晶質(zhì)量、缺陷鈍化及分子碘捕獲設(shè)計(jì)，但傳統(tǒng)分子設(shè)計(jì)依賴的凡德瓦爾斯相互作用或氫鍵結(jié)合力較弱（結(jié)合能 ΔEbinding < 0.6 eV），且大尺寸陽離子容易去質(zhì)子化，導(dǎo)致碘保留能力不足。

華東師范大學(xué)的方俊鋒教授與付圣教授團(tuán)隊(duì)完成此研究，將成果發(fā)表于《Advanced Energy Materials》期刊。研究團(tuán)隊(duì)針對碘損失的瓶頸，提出了靜電碘調(diào)控（Electrostatic Iodine Regulation）的創(chuàng)新策略。通過對胺陽離子的烷基鏈數(shù)量進(jìn)行理性設(shè)計(jì)，選用四丁基碘化銨（Tetrabutylammonium iodide, TBAI）作為靜電碘調(diào)控劑，摻入鈣鈦礦前驅(qū)體中。TBAI利用四級(jí)胺陽離子與三碘陰離子(I₃^-)之間強(qiáng)大的靜電作用力，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)固、更有效的碘限制。其四丁基銨陽離子具有更高的結(jié)合能 ΔEbinding(-4.52 eV)。熱重分析（TG）證實(shí)了TBAI與碘的強(qiáng)固相互作用：純碘的蒸發(fā)溫度約50°C，而引入TBAI后，碘的蒸發(fā)溫度顯著提升到200°C以上（圖1d）。

準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂(QFLS)表征與載流子動(dòng)力學(xué)解析

QFLS 作為核心參數(shù)，用以定量評(píng)估 TBAI 引入后鈣鈦礦薄膜電子性能的提升及其機(jī)制。

QFLS 測量手法與數(shù)據(jù)來源

此研究中 QFLS 的數(shù)值是透過測量鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）計(jì)算而得。PLQY 數(shù)據(jù)展示于輔助信息的 圖 S17 中。

圖 S17 呈現(xiàn)的是控制組（Control）與目標(biāo)組（Target）薄膜的光致發(fā)光量子產(chǎn)率（Photoluminescence Quantum Yield, PLQY）數(shù)值

QFLS 相關(guān)數(shù)據(jù)圖表與解析

核心數(shù)據(jù)呈現(xiàn)于 圖 3d中，對照組(Control)的 QFLS(ΔEF)為 1.189 eV，目標(biāo)組(Target, TBAI)的 QFLS(ΔEF)為 1.195 eV。

l   內(nèi)建電勢：Mott–Schottky 分析（圖 3e）顯示，對照組的內(nèi)建電位(Vbi)為 1.05 V，目標(biāo)組的內(nèi)建電位(Vbi)為 1.17 V。

l   載流子壽命：時(shí)間分辨光致發(fā)光測量（TRPL, 圖 3c）結(jié)果顯示，對照組的載流子復(fù)合壽命(τAVE)為 169.25 ns，目標(biāo)組的載流子復(fù)合壽命(τAVE)為 213.82 ns。

l   缺陷密度評(píng)估：空間電荷限制電流分析（SCLC, 圖 3b）顯示，對照組的缺陷密度(Nt)為 2.56 × 10¹⁶ cm^-3，目標(biāo)組的缺陷密度(Nt)為 2.26 × 10¹⁶ cm^-3。

研究透過 PLQY 數(shù)據(jù)計(jì)算 QFLS (1.195 eV)，精確量化了VOC潛力并解析非輻射復(fù)合損失。若欲高效掌握此類關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)，EnliTech QFLS-Maper 為光伏研究設(shè)計(jì)，具備多模式功能，能快速測量 PLQY 及 Pseudo J-V，并在 3 秒內(nèi)可視化 QFLS 圖像，助您迅速預(yù)測材料效率極限，減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間與成本。

QFLS 如何協(xié)助解析載子動(dòng)力學(xué)與效率損失

QFLS 數(shù)值的提升提供了 TBAI 策略成功的直接電子學(xué)證據(jù)，證明了鈣鈦礦層內(nèi)部的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)力（Internal Driving Force）獲得強(qiáng)化，其機(jī)制涉及載流子傳輸?shù)母纳坪头禽椛鋸?fù)合的有效抑制。

非輻射復(fù)合的抑制：較高的 QFLS 意味著光生載流子能夠長時(shí)間保持在準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)上，減少了透過缺陷態(tài)進(jìn)行的復(fù)合損失。電化學(xué)阻抗頻譜（EIS，圖 S25）顯示，目標(biāo)器件的復(fù)合電阻 Rrec 從 4402 Ω 增加到 9120 Ω，進(jìn)一步確認(rèn)了載流子復(fù)合的抑制。

VOC 與光強(qiáng)度關(guān)系的斜率（圖 S22）從對照組的 1.68 kTq^-1 變淺至目標(biāo)組的 1.15 kTq^-1，這也是非輻射復(fù)合被抑制的明確證據(jù)。

內(nèi)部電場與載流子提取強(qiáng)化：內(nèi)建電位的增強(qiáng)直接促進(jìn)了載流子的有效提取，減少了傳輸過程中的損失。

Enlitech SS-LED220 Class A++太陽光模擬器

在研究中，高效率的J-V 曲線測量和長達(dá)1000 小時(shí)的光熱MPP穩(wěn)定性追蹤，極度依賴光源的精確與穩(wěn)定性。EnliTech SS-LED Class A++ 太陽光模擬器采用創(chuàng)新LED技術(shù)，實(shí)現(xiàn)A++時(shí)間穩(wěn)定性（<0.5%）與>10,000 小時(shí)長壽命。不僅確保了光敏鈣鈦礦長期測試的數(shù)據(jù)精確性與重復(fù)性，其 0-100% 精準(zhǔn)光照調(diào)控功能，亦能支持 Sun-VOC及其他進(jìn)階載流子分析，

結(jié)論與研究成果

研究成功演示了基于四丁基碘化銨（TBAI）的靜電碘調(diào)控策略，有效限制碘的揮發(fā)，解決了鈣鈦礦太陽能電池在光熱應(yīng)力下的長期穩(wěn)定性問題。理論模擬顯示，四級(jí)胺與 I₃^- 之間的靜電相互作用（結(jié)合能 ΔEbinding = -4.5 eV）遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的凡德瓦爾斯作用力。

性能提升：TBAI 促進(jìn)了鈣鈦礦結(jié)晶并鈍化了缺陷。目標(biāo)器件實(shí)現(xiàn)了 26.23% 的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE, reverse scan），超越對照組的 24.14%（圖4a、Table S2）。

器件的開路電壓(VOC=1.19 V)和填充因子(FF=84.88%)均有所提高。研究團(tuán)隊(duì)使用 Enlitech SS-F5-3A （SS-X）太陽模擬器與經(jīng)認(rèn)證的 Si 參考電池（Enli/SRC2020, SRC-00201）進(jìn)行表征。

穩(wěn)定性：在 85°C 功率點(diǎn)（MPP）連續(xù)追蹤 1000 小時(shí)后，目標(biāo)器件仍保持初始效率的 92.5%。對照組器件在 288 小時(shí)后效率降至 43.8%。（圖4d.e）

QFLS 核心貢獻(xiàn)：QFLS 數(shù)值提升至 1.195 eV，載流子壽命延長至 213.82 ns，內(nèi)建電位增強(qiáng)至 1.17 V，證明了靜電調(diào)控策略在提升內(nèi)在電壓驅(qū)動(dòng)力方面的效果。

此研究建立了一個(gè)分子設(shè)計(jì)原則，通過精確調(diào)控胺陽離子的化學(xué)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高效且穩(wěn)定的靜電碘限制，有助于理解鈣鈦礦的光熱降解機(jī)制，并可應(yīng)用于設(shè)計(jì)具有高穩(wěn)定性的下一代鈣鈦礦材料。

文獻(xiàn)參考自Advanced Energy Materials_DOI: 10.1002/aenm.202503666

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