达29%效率：准费米能级分裂技术在叠层太阳能电池中的应用

背景与问题
随着光伏技术的飞速发展，单结晶硅电池的效率正逐渐逼近其理论极限（肖克利-奎伊瑟极限）。为了突破这一瓶颈，将钙钛矿电池与硅电池结合制备的单结钙钛矿/硅叠层太阳能电池成为了有前景的的研究方向。然而，这一技术路线在实际应用中面临着严峻的挑战。
为了实现高效率的叠层器件，顶部的钙钛矿吸光层需要具有较宽的带隙（约1.68 eV）。这种宽带隙钙钛矿材料往往面临相不稳定性和严重的非辐射复合损失，导致开路电压VOC和填充因子（FF）低于理论预期。传统的电流-电压（J-V）测试虽然能给出器件的宏观效率，但往往难以区分界面复合、体相复合或传输电阻对性能的具体贡献。
因此，研究人员急需一种能够深入探测材料内部光电物理机制、排除寄生电阻影响、更准确量化载流子提取效率的测试手段。这正是准费米能级分裂（QFLS）测试与电致发光（EL）光谱分析技术发挥重要作用的领域。

核心研究方案
在本研究中，Al-Ashouri等人提出了一种创新的策略，通过引入一种名为Me-4PACz的甲基取代咔唑自组装单分子层作为空穴选择性接触层，成功解决了宽带隙钙钛矿的相不稳定问题。
为了验证这一策略的有效性，研究团队并未仅仅依赖常规的J-V测试，而是采用了一套深度的光谱表征方案，这也是本文能够实现高精度性能分析的关键：
1.稳态光致发光（PL）与准费米能级分裂（QFLS）测试：
研究人员利用光致发光技术，测量了不同空穴传输层（HTL）上的钙钛矿薄膜的QFLS值。QFLS直接反映了材料在光照下的最大可能电压（即暗指开路电压，iVOC），能够有效排除接触电阻和传输损耗的影响，从而评估材料本征的质量和界面钝化效果。
2.强度依赖的瞬态光致发光：
通过分析不同光强下的PL衰减动力学，团队量化了载流子提取速度。研究发现，Me-4PACz层能够实现极快的空穴提取（饱和时间约300 ns），比传统的2PACz层快了一个数量级，这是实现低理想因子和高填充因子的物理基础。
3.注入依赖的电致发光（EL）光谱：
针对叠层电池难以直接测试子电池特性的痛点，研究团队利用注入依赖的EL测量技术。通过电注入载流子并测量EL光谱，他们成功重构了叠层电池中钙钛矿顶电池和硅底电池各自的伪J-V曲线。这种方法使得研究人员能够在不受到串联电阻干扰的情况下，独立分析每个子电池的电压特性。

论文中展示的器件结构及不同HTL下的PL光谱对比

实验结果与分析
通过上述精细的表征手段，研究团队取得了突破性的实验结果：
•高效率认证：基于Me-4PACz的钙钛矿/硅叠层电池实现了29.15%的认证功率转换效率（PCE），这是当时该领域的领先水平。
•优异的电压特性：叠层器件的开路电压VOC高达1.92 V。单结钙钛矿器件的VOC超过了1.23 V。
•极低的理想因子：得益于快速的空穴提取，器件的理想因子nID低至1.26，远优于传统器件（通常>1.4），这表明非辐射复合得到了有效抑制。
•高填充因子：单结器件的填充因子（FF）达到了84%，叠层器件的FF也超过了80%。
•优秀的稳定性：在未封装的环境空气中，经过300小时的最大功率点（MPP）跟踪，器件仍保持了95%的初始效率。
下表总结了论文中通过光谱学手段重构得到的关键参数，这些数据直接证明了Me-4PACz界面的优越性：

论文中展示的伪J-V曲线重构及填充因子损失分析

HiYield-QFLS
上述Science论文的成功，很大程度上归功于研究者对准费米能级分裂（QFLS）、光致发光/电致发光（PL/EL）以及伪J-V重构等先进光电测试技术的深度应用。这些技术能够剥离寄生电阻的干扰，直击器件材料的物理极限。
要将这种优秀的科研能力转化为常规的实验室生产力，东谱科技推出的HiYield-QFLS 准费米能级分裂测试仪正是为此而生。该设备复现并集成了论文中所使用的核心表征方法，为钙钛矿及叠层太阳能电池的研发提供了强大的工具支持。

东谱科技-HiYield-QFLS

核心功能详解
1. QFLS测试：直击材料极限
在论文中，研究者通过测量QFLS值来确认Me-4PACz层提供表面钝化。HiYield-QFLS配备了高灵敏度的光谱探测模块，支持光致发光（材料）QFLS测试。用户可以在不同辐照度下扫描材料薄膜，直接获得准费米能级分裂值，从而推算出材料的暗指开路电压iVOC。这对于筛选新型传输层材料（如论文中的SAMs）至关重要。
2. 电致发光（EL）与伪J-V重构
论文的一大亮点是利用EL光谱重构了叠层电池的伪J-V曲线。HiYield-QFLS集成了电致发光（器件）QFLS测试及Pseudo-JV功能模块。仪器可以通过控制注入电流或电压，采集器件的EL光谱，进而反推出内部电压。这一功能对应了论文中“排除串联电阻影响、分析子电池真实性能”的需求，特别适用于钙钛矿/硅叠层器件的表征。
3. 理想因子与复合机制分析
论文指出，低理想因子（1.26）是实现高FF的关键。HiYield-QFLS的等效光伏特性测试（Equi-PV）功能，可以通过不同光强下的VOC扫描，自动拟合计算出器件的理想因子。这使得研究人员能够像论文作者一样，快速诊断器件中是以体复合为主还是以界面复合为主，从而优化工艺。
应用场景
HiYield-QFLS不仅覆盖了论文涉及的钙钛矿/硅叠层电池领域，还广泛支持以下前沿研究方向：
•太阳能电池：有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池、铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池。
•电致发光器件：钙钛矿LED（PeLED）、有机LED（OLED）、量子点LED。
•光电材料：MOF（金属有机框架）、COF（共轭有机框架）、光催化材料。
技术参数
为了满足高精度科研需求，HiYield-QFLS在硬件指标上做了充分优化，满足论文中的测试条件：
•波长范围：标配 350-1050nm（覆盖钙钛矿及硅的发光波段），可选900-1700nm以支持红外测试。
•激发光源：采用 532nm 激光作为辐照源，等效光强范围覆盖 0.001-11 个太阳。这对应了论文中进行光强依赖测试所需的宽动态范围。
•电学参数：支持 +/-10V, +/-150mA 的偏置范围，分辨率高达 10nA/1mV，确保对微弱光电流信号的精确捕捉。
•测试通道：标配 6通道 自动测试，极大提升了批量筛选材料的效率。

原文参考：Monolithic perovskite/silicon tandem solar cell with >29% efficiency by enhanced hole extraction

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