無需完整器件制備，如何用QFLS在材料階段就預(yù)測SAM鈍化效果？

前言：SAM材料篩選的技術(shù)挑戰(zhàn)

在太陽能電池技術(shù)發(fā)展中，開路電壓（Voc）和填充因子（FF）的提升一直是研究的核心目標(biāo)。然而，界面處的非輻射復(fù)合損失往往成為限制電池性能的關(guān)鍵瓶頸。自組裝單分子層（Self-Assembled Monolayers, SAMs）作為一種有效的界面鈍化技術(shù)，能夠通過精準(zhǔn)調(diào)控界面能級對齊和缺陷鈍化來改善電池性能。

SAM材料的篩選面臨著多重挑戰(zhàn)。

1.            SAM分子結(jié)構(gòu)的微小變化往往對界面鈍化效果產(chǎn)生顯著影響，需要對大量候選材料進(jìn)行系統(tǒng)性評估。

2.            傳統(tǒng)的器件制作與測試流程耗時(shí)耗力，從材料合成到完整太陽能電池制備通常需要數(shù)周時(shí)間，大幅增加了研發(fā)成本。

3.            完整器件的性能往往受到多種因素影響，包括電極質(zhì)量、傳輸層特性等，使得純粹評估SAM材料本身的鈍化效果變得困難。

近年來，準(zhǔn)費(fèi)米能級分裂（Quasi-Fermi Level Splitting, QFLS）技術(shù)的發(fā)展為SAM材料篩選提供了新的解決方案。QFLS能夠直接反映材料的光電轉(zhuǎn)換能力，不受器件結(jié)構(gòu)限制，使研究人員能在材料研發(fā)初期即對鈍化效果進(jìn)行準(zhǔn)確評估。

SAM界面鈍化材料篩選的重要突破

溴取代策略的創(chuàng)新應(yīng)用

新加坡國立大學(xué)侯毅(Yi Hou)教授團(tuán)隊(duì)在2025年Energy & Environmental Science的研究中，采用溴取代策略修飾自組裝單分子層末端基團(tuán)，在1.79 eV寬帶隙鈣鈦礦電池上實(shí)現(xiàn)了1.37 V的VOC，VOC損耗僅0.42 V，成功超越肖克利-奎瑟極限的90%。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了DCB-C4POH、DCB-Br-1和DCB-Br-2等SAM分子，采用旋涂沉積后100°C退火10分鐘的標(biāo)準(zhǔn)化制備流程。研究運(yùn)用穩(wěn)態(tài)PL測量計(jì)算QFLS值、光強(qiáng)依賴PLQY測量獲取pseudo-JV曲線、SCLC測量評估空穴傳輸能力，以及EQE和共聚焦PL映像等多種表征技術(shù)。

圖片取自：Surpassing 90% Shockley–Queisser V_OC limit in 1.79 eV wide-bandgap perovskite solar cells using bromine-substituted self-assembled monolayers-Fig.1g-i

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DCB-Br-2 SAM表現(xiàn)能有效調(diào)控界面相互作用和能級對齊，顯著減少非輻射復(fù)合并加速空穴提取。基于該材料的串聯(lián)太陽能電池實(shí)現(xiàn)了27.70%的PCE，VOC達(dá)2.11 V，FF為79.81%，JSC為16.49 mA cm?2，且?guī)缀鯚o遲滯現(xiàn)象。

圖片取自：Surpassing 90% Shockley–Queisser V_OC limit in 1.79 eV wide-bandgap perovskite solar cells using bromine-substituted self-assembled monolayers-Fig.3e

SAM界面鈍化材料篩選的研究實(shí)例

雙功能聚合物添加劑的通用性策略

中科院青島生物能源與過程研究所逄淑平教授團(tuán)隊(duì)（2024）在2024年Advanced Materials上發(fā)表的研究展示了SAM概念在聚合物添加劑中的延伸應(yīng)用。該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種通用的雙功能聚合物添加劑，能夠同時(shí)鈍化陽離子和陰離子缺陷，將鈣鈦礦薄膜的導(dǎo)電類型從強(qiáng)n型轉(zhuǎn)變?yōu)槿?/span>n型。

研究的關(guān)鍵在于通過能級對齊和抑制體內(nèi)非輻射復(fù)合，使QFLS得到顯著增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于1.59 eV鈣鈦礦的電池實(shí)現(xiàn)了1.24 V的最高VOC和23.86%的PCE。該研究運(yùn)用PLQY、QFLS和EQE_EL等表征技術(shù)進(jìn)行定量分析，證明即使是聚合物添加劑也能發(fā)揮類似SAM的界面修飾作用。

取自：Enhanced Quasi-Fermi Level Splitting of Perovskite Solar Cells by Universal Dual-Functional Polymer- Graphical Abstract

離子頭功能化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)(KAUST) Stefaan De Wolf教授團(tuán)隊(duì)2025年Advanced Energy Materials的研究聚焦于窄帶隙鉛錫鈣鈦礦太陽能電池的界面優(yōu)化。研究團(tuán)隊(duì)引入了具有離子頭的新型自組裝空穴傳輸層材料BrNH3-4PACz，相較于傳統(tǒng)的2PACz和MeO-2PACz，展現(xiàn)出更高的磷銦比和更優(yōu)異的表面覆蓋率。運(yùn)用QFLS映射技術(shù)直觀展示了不同SAM襯底上窄帶隙鈣鈦礦的QFLS分布情況。映射結(jié)果清晰地呈現(xiàn)了優(yōu)化后的SAM如何提升電荷載流子在開路條件下的分離程度。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，采用BrNH3-4PACz的器件VOC從平均0.80 V顯著提升至0.88 V，同時(shí)JSC和填充因子也獲得改善，遲滯現(xiàn)象降低。這些性能提升直接歸因于材料優(yōu)異的電荷提取特性。

圖片取自：Efficient Narrow Bandgap Pb-Sn Perovskite Solar Cells Through Self-Assembled Hole Transport Layer with Ionic Head-Fig.3d-f

埋藏界面的超分子調(diào)控

香港理工大學(xué)李剛教授團(tuán)隊(duì)在2025年Advanced Materials的研究探討了埋藏界面對太陽能電池性能的影響機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)利用超分子組裝模板來調(diào)控埋藏界面，通過優(yōu)化界面能級對齊和有效鈍化本征缺陷，使VOC從1.197 V提升至1.230 V。

圖片取自：Buried Interface Regulation with a Supramolecular Assembled Template Enables High-Performance Perovskite Solar Cells for Minimizing the V_OC Deficit-Fig.4c

雖然該研究未直接提供QFLS數(shù)值，但其對VOC提升的解釋與QFLS在界面缺陷鈍化中的作用機(jī)制高度一致。研究結(jié)果證實(shí)了SnO2/鈣鈦礦埋藏界面非輻射復(fù)合的有效消除，實(shí)現(xiàn)了超低的VOC虧損。這項(xiàng)工作突出了特定界面鈍化對組件整體性能提升的重要性。

圖片取自：Buried Interface Regulation with a Supramolecular Assembled Template Enables High-Performance Perovskite Solar Cells for Minimizing the V_OC Deficit-Fig.4e

QFLS-Maper在SAM界面鈍化材料篩選的應(yīng)用

QFLS-Maper技術(shù)的核心價(jià)值在于能夠在材料研發(fā)初期即對SAM鈍化效果進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的評估。該技術(shù)整合了多種表征功能，為SAM材料的開發(fā)與優(yōu)化提供了多面向的支持。

一、 界面品質(zhì)的可視化與高通量篩選
QFLS-Maper能夠在數(shù)秒內(nèi)生成樣品表面的準(zhǔn)費(fèi)米能級分裂（QFLS）空間分布圖，使研究人員得以直觀評估不同SAM處理后，鈣鈦礦薄膜表面缺陷鈍化的均勻性。QFLS熱力圖不僅能確認(rèn)此提升，更能透過分布直方圖定量分析其空間均勻性，峰形窄而集中的分布代表更優(yōu)異的界面質(zhì)量。

二、 材料內(nèi)在潛力的快速預(yù)測
透過對光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）的快速測量，能在數(shù)分鐘內(nèi)推導(dǎo)出場效鈍化材料的擬態(tài)電流-電壓（pseudo-JV）曲線。此曲線獨(dú)立于電極或傳輸層等外部組件結(jié)構(gòu)，直接反映了經(jīng)SAM鈍化后材料本身的固有光電潛力。這使得研究人員能夠在沉積電極前，預(yù)測不同SAM材料所能達(dá)到的理論開路電壓（VOC）與填充因子（FF）上限，從而將資源集中于具潛力的候選材料，大幅降低了試錯(cuò)成本與時(shí)間。

三、 精準(zhǔn)的能量損失診斷
QFLS-Maper具備高動(dòng)態(tài)范圍的PLQY量測能力（靈敏度達(dá)1×10??%），結(jié)合NIST可追溯的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。基于此，系統(tǒng)可計(jì)算出材料的內(nèi)部開路電壓（iVoc），即理想無界面損失下的VOC上限。通過比較iVoc與實(shí)際組件的VOC，研究人員能夠精準(zhǔn)量化由SAM/鈣鈦礦界面或SAM/電極界面引入的非輻射復(fù)合損失。此外，透過對裸吸收層、吸收層/SAM堆棧等半成品的逐層分析，可以清晰地追溯并定位電壓損失的來源。

總結(jié)與展望

SAM界面鈍化技術(shù)的發(fā)展正推動(dòng)太陽能電池效率向理論極限邁進(jìn)。從溴取代策略的突破性成果到各種創(chuàng)新性分子設(shè)計(jì)，研究人員不斷探索新的界面優(yōu)化方案。QFLS表征技術(shù)的成熟應(yīng)用為這一領(lǐng)域的研究提供了強(qiáng)大的分析工具，使材料篩選從傳統(tǒng)的「試錯(cuò)模式」轉(zhuǎn)向「精準(zhǔn)預(yù)測」。

參考文獻(xiàn)

1. Liu, D., Chen, C., Wang, X., Sun, X., Zhang, B., Zhao, Q., ... & Pang, S. (2024). Advanced Materials. Enhanced Quasi-Fermi Level Splitting of Perovskite Solar Cells by Universal Dual-Functional Polymer.

2. Wang, Z., Liang, Q., Li, M., Sun, G., Li, S., Zhu, T., ... & Li, G. (2025). Advanced Materials. Buried Interface Regulation with a Supramolecular Assembled Template Enables High-Performance Perovskite Solar Cells for Minimizing the VOC Deficit.

3. Wei, Z., Zhou, Q., Niu, X., Liu, S., Dong, Z., Liang, H., ... & Hou, Y. (2025). Energy & Environmental Science. Surpassing 90% Shockley-Queisser VOC Limit in 1.79 eV Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells Using Bromine-Substituted Self-Assembled Monolayers.

4. Zhumagali, S., Li, C., Marcinskas, M., Dally, P., Liu, Y., Ugur, E., ... & De Wolf, S. (2025). Advanced Energy Materials. Efficient Narrow Bandgap Pb‐Sn Perovskite Solar Cells Through Self‐Assembled Hole Transport Layer with Ionic Head.