磺酸分子橋偶極工程實現0.420 V低損失與28.9%效率

一、研究背景與挑戰

1.1 瓶頸與研究目標

寬能隙鈣鈦礦太陽能電池（WBG PSCs）是構建全鈣鈦礦疊層太陽能電池（TSCs）的核心組成部分。然而，這類電池面臨嚴重的非輻射復合和載流子提取受阻問題。過去的缺陷鈍化策略往往會引入寄生性的界面問題，例如在界面形成絕緣層或反轉內建電場，進而阻礙電子提取并造成VOC損失。因此，如何同步實現電場工程與缺陷鈍化，是釋放WBG PSCs潛在電壓能力的關鍵難題。

1.2 研究團隊與解決方法

由蘇州大學（Soochow University）的王長擂教授、趙德威教授、李孝峰教授與馬天舒教授等多位學者共同完成。研究團隊采用一種協同偶極-缺陷工程策略，并成功將成果發表于國際期刊 ACS Nano。研究團隊引入了 3-磺酸丙烯酸/甲基丙烯酸鉀鹽 (SPA/SPM) 作為雙通道調制劑。特別是SPM，它能創建一個偶極誘導的內建電場（dipole-induced built-in electric field），同時實現雙位點缺陷鈍化的協同調控。SPM分子中垂直排列的磺酸根 (-SO3-) 基團產生了增強的界面偶極，有利于電荷分離與傳輸。

圖4(d)： 該圖表展示了報告的VOC值與帶隙介于1.75 eV到1.80 eV之間的WBG PSCs性能比較

二、QFLS 表征：解析載子動力學與效率損失 (約 64%)

QFLS (ΔEF) 是評估太陽能電池中非輻射復合損失的關鍵指標。在光照下，QFLS直接決定了吸收層載流子的分離能，并與組件的開路電壓(VOC)有直接關系；因此，QFLS的提升，即直接驗證了VOC的增強。

2.1 QFLS 測量手法與數據來源

該研究透過光致發光量子產率 (PLQY) 測量來評估QFLS。PLQY反映了材料中輻射復合相對于所有復合途徑的效率，是計算潛在VOC（即QFLS）的基礎。

• 原始數據： 對照組（Control）鈣鈦礦薄膜的PLQY僅為 0.03%。

• 調制結果： 經過SPM處理后，PLQY大幅提升至 0.41%，而SPA處理后為0.24%。

• QFLS 增長： 這種PLQY的提升，對應于QFLS的顯著增長：SPA處理使QFLS增加了25.36      meV，而SPM處理則使QFLS增加了 39.2 meV。QFLS值的實際增強，直接證實了VOC的提升。

圖2(e)：不同添加劑處理后WBG鈣鈦礦薄膜的PLQY

圖5(b)：TSCs的J-V曲線

2.2 QFLS解析非輻射復合與載子動力學

1. 抑制界面復合路徑： 對照組薄膜在沉積電子傳輸層 (C60) 后，PLQY顯著猝滅，這表明大量界面缺陷導致了非輻射復合與能量損失。然而，SPM處理后的薄膜，在沉積C60后PLQY沒有明顯下降，這強烈指出界面復合路徑已被有效抑制。

2. 延伸載子壽命： 載流子動力學的改善透過時間分辨光致發光 (TRPL) 測量證實，SPM處理后薄膜的平均電荷壽命 (τave) 顯著增加，從對照組的324 ns延長至604 ns。載子壽命的延長與QFLS的提升結果一致，均歸因于復合損失的減少。
        

   
        圖2(f)：不同添加劑處理WBG鈣鈦礦薄膜的TRPL光譜

   
   

3. 缺陷密度降低： 空間電荷限制電流      (SCLC) 測量顯示，SPM處理后的空穴傳輸組件具有低的陷阱填充電壓 (VTFL)（0.673 V），表明吸收層中的陷阱密度低。同時，Urbach 能量 (EU) 也從對照組的39.23 meV降至SPM的35.62 meV，這些都印證了SPM成功減少了作為非輻射復合中心的缺陷態密度。
        
        表S1：不同添加劑處理鈣鈦礦薄膜的TRPL參數

   

   
        

這篇研究透過QFLS和PLQY測量驗證了SPM處理對非輻射複合的抑制效果。EnliTech的QFLS-Maper準費米能階分裂檢測儀器整合QFLS、PLQY、iVoc及Pseudo J-V多模態功能，能在兩分鐘內測材料的VOC潛力和效率極限。該設備適用於界面缺陷鈍化驗證、載流子動力學分析，幫助研究團隊快速識別高潛力材料配方，加速太陽能電池研發進程。

2.3 QFLS 在該研究中的作用與意義

QFLS在該研究中扮演了核心的量化角色。它將SPM分子的協同偶極-缺陷工程（Synergistic Dipole-Defect Engineering）策略，與最終組件的電學性能提升進行了直接鏈接。

• SPM分子具有較大的分子偶極矩（18.73 D），且傾向于在鈣鈦礦表面形成垂直排列。這種垂直取向建立了有利的界面電場。

• 此有利電場與磺酸根基團對未配位Pb2+的雙位點鈍化效應相結合，有效地促進了載流子分離、抑制了界面復合。

• 最終，QFLS測量結果（39.2 meV的增幅），直接量化并驗證了此策略在降低非輻射復合損失上的成功。
       
     

  圖4(a)：WBG PSCs的J-V曲線

Enlitech SS-LED220 Class A++可調光譜LED太陽光模擬器為疊層電池研究提供理想測試平臺。SS-LED220在光譜匹配和時間穩定性均達到Class A++性能：AM1.5G光譜失配率<6.25%，時間不穩定性<0.5%，空間不均勻性<2%。穩定性與精確度提供高重現性太陽光模擬，有效消除傳統光源波動誤差，確保疊層電池研究數據的高準確性與重復性。

三、結論與研究成果

3.1 主要成果總結

透過SPM實現的協同偶極-缺陷工程，該研究成功提升了WBG PSCs的性能。

• 單結WBG      PSCs： 實現了19.48%的高功率轉換效率（PCE），以及 1.350 V 的開路電壓 (VOC)。

• 低電壓損失： 該組件達成了 0.420 V 的低VOC-deficit，是文獻中1.75 eV至1.80 eV寬能隙PSCs中報告值之一。

• 疊層電池TSCs： 將優化的WBG頂電池整合至全鈣鈦礦疊層電池中，實現了 28.90% 的優異效率（經獨立機構認證為28.15%），同時VOC高達2.158 V。

• 優異穩定性： SPM處理的WBG      PSC在惰性氣氛下儲存，在10,000 h后仍能保持初始PCE的90%。

3.2 QFLS 的核心貢獻與研究影響

該研究的核心貢獻在于利用QFLS驗證了垂直取向的雙位點磺酸配體，不僅能夠透過偶極效應增強界面電場、加速電荷傳輸，同時也能有效修復晶格與界面缺陷。QFLS數值的明確提升，量化證明了載流子壽命的延長和非輻射復合的最小化。

研究成果確立了偶極取向保真度與缺陷修復效率之間的相關性，將偶極取向確立為調控缺陷-能級景觀（defect-energy landscape engineering）的關鍵自由度。這為未來制造高效能、高電壓的全鈣鈦礦疊層太陽能電池提供了普適性的設計準則。

圖S29：獨立機構認證報告，經SIMIT認證的功率轉換效率（PCE）為28.15%

文獻參考自ACS Nano_DOI: 10.1021/acsnano.5c04978

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