研究背景與挑戰

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

揮發性碘分子(I₂)會穿透載流子傳輸層，侵蝕頂部金屬電極，形成自我加速的降解循環?，F有穩定策略包括改善結晶質量、缺陷鈍化及分子碘捕獲設計，但傳統分子設計依賴的凡德瓦爾斯相互作用或氫鍵結合力較弱（結合能 ΔEbinding < 0.6 eV），且大尺寸陽離子容易去質子化，導致碘保留能力不足。

華東師范大學的方俊鋒教授與付圣教授團隊完成此研究，將成果發表于《Advanced Energy Materials》期刊。研究團隊針對碘損失的瓶頸，提出了靜電碘調控（Electrostatic Iodine Regulation）的創新策略。通過對胺陽離子的烷基鏈數量進行理性設計，選用四丁基碘化銨（Tetrabutylammonium iodide, TBAI）作為靜電碘調控劑，摻入鈣鈦礦前驅體中。TBAI利用四級胺陽離子與三碘陰離子(I₃^-)之間強大的靜電作用力，實現更穩固、更有效的碘限制。其四丁基銨陽離子具有更高的結合能 ΔEbinding(-4.52 eV)。熱重分析（TG）證實了TBAI與碘的強固相互作用：純碘的蒸發溫度約50°C，而引入TBAI后，碘的蒸發溫度顯著提升到200°C以上（圖1d）。

準費米能級分裂(QFLS)表征與載流子動力學解析

QFLS 作為核心參數，用以定量評估 TBAI 引入后鈣鈦礦薄膜電子性能的提升及其機制。

QFLS 測量手法與數據來源

此研究中 QFLS 的數值是透過測量鈣鈦礦薄膜的光致發光量子產率（PLQY）計算而得。PLQY 數據展示于輔助信息的 圖 S17 中。

圖 S17 呈現的是控制組（Control）與目標組（Target）薄膜的光致發光量子產率（Photoluminescence Quantum Yield, PLQY）數值

QFLS 相關數據圖表與解析

核心數據呈現于 圖 3d中，對照組(Control)的 QFLS(ΔEF)為 1.189 eV，目標組(Target, TBAI)的 QFLS(ΔEF)為 1.195 eV。

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

l   載流子壽命：時間分辨光致發光測量（TRPL, 圖 3c）結果顯示，對照組的載流子復合壽命(τAVE)為 169.25 ns，目標組的載流子復合壽命(τAVE)為 213.82 ns。

l   缺陷密度評估：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，目標組的缺陷密度(Nt)為 2.26 × 10¹⁶ cm^-3。

研究透過 PLQY 數據計算 QFLS (1.195 eV)，精確量化了VOC潛力并解析非輻射復合損失。若欲高效掌握此類關鍵動力學，EnliTech QFLS-Maper 為光伏研究設計，具備多模式功能，能快速測量 PLQY 及 Pseudo J-V，并在 3 秒內可視化 QFLS 圖像，助您迅速預測材料效率極限，減少實驗時間與成本。

QFLS 如何協助解析載子動力學與效率損失

QFLS 數值的提升提供了 TBAI 策略成功的直接電子學證據，證明了鈣鈦礦層內部的內部驅動力（Internal Driving Force）獲得強化，其機制涉及載流子傳輸的改善和非輻射復合的有效抑制。

非輻射復合的抑制：較高的 QFLS 意味著光生載流子能夠長時間保持在準費米能級上，減少了透過缺陷態進行的復合損失。電化學阻抗頻譜（EIS，圖 S25）顯示，目標器件的復合電阻 Rrec 從 4402 Ω 增加到 9120 Ω，進一步確認了載流子復合的抑制。

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

內部電場與載流子提取強化：內建電位的增強直接促進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1000 小時的光熱MPP穩定性追蹤，極度依賴光源的精確與穩定性。EnliTech SS-LED Class A++ 太陽光模擬器采用創新LED技術，實現A++時間穩定性（<0.5%）與>10,000 小時長壽命。不僅確保了光敏鈣鈦礦長期測試的數據精確性與重復性，其 0-100% 精準光照調控功能，亦能支持 Sun-VOC及其他進階載流子分析，

結論與研究成果

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

性能提升：TBAI 促進了鈣鈦礦結晶并鈍化了缺陷。目標器件實現了 26.23% 的光電轉換效率（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。研究團隊使用 Enlitech SS-F5-3A （SS-X）太陽模擬器與經認證的 Si 參考電池（Enli/SRC2020, SRC-00201）進行表征。

穩定性：在 85°C 功率點（MPP）連續追蹤 1000 小時后，目標器件仍保持初始效率的 92.5%。對照組器件在 288 小時后效率降至 43.8%。（圖4d.e）

QFLS 核心貢獻：QFLS 數值提升至 1.195 eV，載流子壽命延長至 213.82 ns，內建電位增強至 1.17 V，證明了靜電調控策略在提升內在電壓驅動力方面的效果。

此研究建立了一個分子設計原則，通過精確調控胺陽離子的化學結構來實現高效且穩定的靜電碘限制，有助于理解鈣鈦礦的光熱降解機制，并可應用于設計具有高穩定性的下一代鈣鈦礦材料。

文獻參考自Advanced Energy Materials_DOI: 10.1002/aenm.202503666

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