研究背景與策略概述
鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 在新一代光伏技術中備受關注，但其商業化進程仍受制于效率和穩定性之間的權衡問題。活性層中的晶面品質與晶體取向（例如 (100) 與 (111) 晶面）對于電荷傳輸和降解行為具有顯著影響。在制備過程中，溶劑與添加劑的作用往往相互交織，使得制造均勻單一取向的薄膜成為一項艱鉅的挑戰。
該研究由中國科學院院士李燦，和大連化學物理研究所劉劼瑋教授團隊完成，并發表于 Environmental Science (DOI: 10.1039/d5ee04415d)。研究團隊提出了一種新穎的溶劑-添加劑級聯調控 (Solvent-Additive Cascade Regulation, SACR) 策略。此方法通過兩步驟程序，將溶劑驅動的初始中間相組裝與添加劑導向的晶面精煉順序耦合。機制分析顯示，溶劑（如 DMF/DMSO 或 DMF/NMP 系統）通過拓撲化學組裝 (topochemical assembly) 來確立晶體生長的初始取向，而后續引入的添加劑（CHA 或 CHAI）則借由與晶核之間不同的鍵合強度，來調控特定的晶面生長，從而將取向異質性轉變為均勻性。
通過 SACR 策略，研究團隊成功制備出遵循伍爾夫結構原理的均勻 (111) 和 (100) 取向鈣鈦礦薄膜。(100) 取向的 n–i–p 結構器件實現了 25.33% 的最佳光電轉換效率 (PCE)，而 (111) 取向器件則展現出長期操作穩定性。
準費米能級分裂 (QFLS) 的表征與機制解析
QFLS 測量與數據來源：
研究采用光致發光量子產率 (PLQY) 測量來定量評估非輻射復合損失。在獲得 PLQY 數據后，即可根據既有文獻方法計算出 QFLS 值。
圖 5e 展示了凈鈣鈦礦薄膜以及與傳輸層界面堆疊（HTL/鈣鈦礦和鈣鈦礦/ETL 界面）的 PLQY 和 QFLS 數據。
QFLS 數據差異： 經 SACR 優化的 (111) 和 (100) 取向薄膜，無論在玻璃基板上還是與傳輸層堆疊后，其 PLQY 和 QFLS 值均顯著高于隨機取向的薄膜。這直接證實了 SACR 策略有效減少了界面損失。
晶面依賴性解析： (111) 取向薄膜在 HTL/鈣鈦礦堆疊上表現出更高的 QFLS，這與其 P 型電性特征相符；相對地，(100) 取向薄膜則在 ETL/鈣鈦礦堆疊處獲得較高 QFLS，反映出其 N 型電性。這兩種晶面特性與 KPFM 測量結果一致。
研究通過精確測量光致發光量子效率（PLQY），計算準費米能級分裂（QFLS）值，進而評估鈣鈦礦薄膜在不同晶面取向下的非輻射復合損失并預測內建開路電壓 (iVoc) 極限。針對此類關鍵表征需求，QFLS-Maper 準費米能級分裂檢測儀提供了有效的解決方案。該儀器能在 3 秒內完成 QFLS 影像可視化，直觀呈現準費米能級分布。此外，QFLS-Maper 整合了 PLQY、iVoc 和 Pseudo J-V 等多模態功能，僅需數分鐘即可快速預測材料效率潛力，適用于界面工程與材料優化研究。
QFLS 在載子動力學中的作用：
QFLS 的擴大直接有助于提高 Voc。高 QFLS 值表示薄膜內部的非輻射復合得到有效抑制，反映了更高的載流子濃度和更優異的薄膜品質。
能級匹配分析： 通過紫外光電子能譜 (UPS) 測量，研究描繪了不同取向鈣鈦礦薄膜的能級圖 (圖 5d)。(111) 取向薄膜具有更深的價帶最大值 (VBM) 和導帶最小值 (CBM)。但是，(100) 結構提供了更適合電子傳輸層 (ETL) 和空穴傳輸層 (HTL) 之間的能級位置，從而實現更高效的載流子傳輸和提取。
與內建電壓的關聯： QFLS 的提升與 Mott–Schottky 測量中提取出的內建電壓增強趨勢一致 (圖 5g)。這表明 SACR 策略通過優化晶面取向，降低了復合中心，從而提高了器件的內建電場和 Voc 潛力。
PL 圖譜的輔助分析：
研究同時利用共焦光致發光圖譜 (Confocal PL mapping) 進行微觀缺陷分析。PL-強度圖譜 (圖 4c) 顯示，與隨機取向薄膜相比，定向薄膜的整體 PL 強度更高且均勻性大幅改善。
PL-位置圖譜 (圖 4d) 則揭示，隨機薄膜中 PbI2 傾向于聚集在晶界，但經 SACR 處理后，PbI2 團簇被細膩分散。(100) 取向薄膜的殘留 PbI2 最少，這對于提高電荷傳輸效率是關鍵因素。這些光學分析結果，特別是 PL 強度和均勻性的提升，與 QFLS 數據所揭示的復合損失降低相吻合。
結論與核心貢獻
該研究確立的 SACR 策略，成功克服了在兩步驟制程中難以實現均勻、可調控晶面取向的挑戰。通過精確控制溶劑在拓撲組裝中的啟動作用和添加劑在晶面精煉中的調控作用，研究實現了 (100) 和 (111) 單一取向薄膜的制備。
核心研究成果總結：
效率與穩定性解耦： (100) 取向的 PSCs 達到了 25.33% 的高效率，主要是因為其載流子提取效率高且復合損失低(圖 5c)。
相比之下，(111) 取向器件則表現出環境穩定性，在 40% 相對濕度下運行 2000 小時后仍能保持超過 95% 的初始效率(圖 5h)。
QFLS 的核心貢獻： QFLS 測量在該研究中扮演了關鍵角色，它將宏觀的 Voc 性能與微觀的非輻射復合機制直接聯系起來。QFLS 的提升有力地證實了 SACR 策略在優化薄膜質量、抑制界面損失方面的有效性，佐證了 (100) 晶面優異的光電性能源于載流子復合的有效抑制。
文獻參考自Energy & Environmental Science_DOI: 10.1039/d5ee04415d
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