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解析25%效率鈣鈦礦-有機疊層電池的成功關鍵：從缺陷鈍化到QFLS光電特性深度表徵
前言：鈣鈦礦-有機疊層技術的效率瓶頸
鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池 (Perovskite-Organic Tandem Solar Cells, POTSCs) 結合了鈣鈦礦材料的高效率與有機半導體的製程優勢，被視為下一代高效薄膜光伏技術的明日之星。然而，要將其潛力完全發揮，必須克服寬能隙 (Wide-Bandgap, WBG) 鈣鈦礦子電池中嚴峻的開路電壓 (Voc) 損失問題。近期，一篇發表於頂尖期刊《Advanced Science》的研究，為此挑戰提供了嶄新的解決方案。
該研究透過一項協同策略，不僅成功將POTSCs的效率提升至25%的里程碑，更對WBG鈣鈦礦的缺陷物理提供了深刻的洞見。
研究核心：直面WBG鈣鈦礦的移動性缺陷挑戰
在疊層結構中，為了達成電流匹配 (Current Matching)，WBG鈣鈦礦前電池的能隙需調控至約 1.8 eV，這通常需要引入高比例的溴 (Br) 離子。然而，高溴含量的鈣鈦礦薄膜在結晶過程中，極易在表面與晶界形成大量的移動性深能級缺陷 (Mobile Deep-Level Defects)。這些缺陷如同電洞與電子的「復合中心」，會引發嚴重的非輻射複合 (Non-radiative Recombination)，這正是造成 Voc 鉅額損失、限制元件效率的主要元兇。
為此，研究團隊提出了雙管齊下的策略：
- 雙功能分子鈍化：引入 PipEAI 分子鈍化劑，專門抑制 WBG 鈣鈦礦頂部界面附近的移動性缺陷。
- 溶液法氧化石墨烯 (GO) 互連層：開發低成本且穩定的 GO 作為互連層 (ICL)，取代傳統熱蒸鍍金屬，避免金屬離子擴散汙染。
成果解析：鈍化策略如何有效抑制非輻射複合？
研究團隊透過一系列精細的光電表徵，證實了其鈍化策略的有效性。在經過72小時的室光老化後，經 PipEAI 鈍化的WBG單結電池，其 Voc 從 1.289 V 顯著提升至 1.355 V，Voc 損失僅 460 mV，PCE高達19.38%。
這一性能提升的背後，正是非輻射複合被有效抑制的直接證據：
- 光致發光 (PL/TRPL) 分析：鈍化後的薄膜，其PL強度與載子生命週期 (TRPL) 均顯著增長。這表明光生載子在被缺陷捕獲前，有更多機會進行輻射複合，直接印證了非輻射複合通道被阻斷。
- 電致發光 (EL) 分析：鈍化後元件的電致發光量子效率 (EQEEL) 提升了近兩個數量級 (從0.02%至0.36%)。EQEEL是衡量元件抑制非輻射複合能力的黃金標準，如此巨大的提升，強而有力地證明了鈍化層的卓越效果。
- 缺陷態密度分析 (t-DOS/DLCP)：測量結果顯示，鈍化後元件在鈣鈦礦/電子傳輸層界面附近的陷阱密度降低了約一個數量級，從根源上證實了缺陷已被有效中和。
從研究到實踐：如何精準量化電壓潛力與鈍化成效？
上述研究展示了抑制非輻射複合對於提升 Voc 的重要性。然而，在研發過程中，研究人員需要更快速、更直觀的工具來評估材料的內在潛力與製程的均勻性。這正是準費米能級分裂 (Quasi-Fermi Level Splitting, QFLS) 分析技術的用武之地。
QFLS值直接反映了材料在光照下所能達到的最大理論開路電壓 (也稱為內在開路電壓，iVoc)，是評估材料光電品質與 Voc 損失來源最核心的參數。
Enlitech 的 QFLS-Maper 準費米能階檢測儀，為此提供了全方位的解決方案：
- 快速預測材料效率極限：傳統上，評估材料需要製作成完整的元件，耗時費力。QFLS-Maper 能夠在短短2分鐘內，透過量測材料的PLQY，直接繪製出擬態J-V曲線 (Pseudo J-V)，讓您在元件製備前，即刻掌握材料的 iVoc 與理論效率上限，大幅加速材料篩選與製程優化的迭代速度。
- 缺陷分佈可視化：鈍化製程是否均勻？材料是否存在缺陷叢集 (Defect Clusters)？傳統的點量測無法回答這些問題。QFLS-Maper 能在3秒內完成QFLS Mapping，將樣品整體的準費米能級分裂以影像化方式呈現。您可以一目了然地看到鈍化效果優異的區域（高QFLS值）與有待改善的區域（低QFLS值），為製程均勻性調控提供最直觀的依據。
- 一站式關鍵參數整合：該研究中用到的多種關鍵表徵，如 PLQY 與 EL-EQE，QFLS-Maper 均可一機完成。它集成了 QFLS、iVoc、Pseudo J-V、PLQY、EL-EQE 等多種量測模組，為您的鈣鈦礦研究提供從材料品質到元件物理的全面性分析。
點此深入了解：QFLS準費米能階分裂如何決定您的光電元件效率極限？
結論：先進表徵技術是推動疊層電池發展的基石
該研究清晰地揭示了抑制WBG鈣鈦礦的移動性缺陷是非輻射複合管理的核心，並透過溶液法GO互連層，成功實現了效率與穩定性兼具的鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池 (PCE > 25%, 500小時後仍維持92.2%初始效率)。
這項突破性的研究再次印證，高效能光伏元件的開發，離不開對材料內部載子動力學與缺陷物理的深刻理解。而如 QFLS-Maper 這類能夠快速、準確且全面地表徵材料內在光電特性的先進檢測儀器，無疑是研究人員縮短研發週期、洞察物理機制、最終突破效率瓶頸的關鍵利器。
圖：光焱科技QFLS-Maper實際裝機照片
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原文文獻資訊
文章標題：Defect Dynamics and Solution-Processed Interconnects in Perovskite-Organic Tandem Solar Cells
期刊名稱：Advanced Science
DOI：https://doi.org/10.1002/advs.202519528
