一、 研究背景與挑戰
鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池（PVSK/Si TSCs）是突破單結器件理論效率極限的關鍵技術，目前記錄效率已達34.6%，但距離45.1%的理論極限仍有改進空間。主要瓶頸在于寬帶隙鈣鈦礦頂電池的開路電壓（VOC）和填充因子（FF）損失，這些效率損失主要源于鈣鈦礦/C60界面處的載流子復合和能級失配。C60單分子層通過能級釘扎和能帶失配引入深能級陷阱態，加劇界面復合損失，而傳統單功能鈍化劑難以同時解決復合損失和電荷傳輸限制問題。
中科院寧波材料技術與工程研究所葉繼春、楊熹、應智琴研究團隊在Nature Communications發表研究"Minimizing interfacial energy losses via multifunctional cage-like diammonium molecules for efficient perovskite/silicon tandem solar cells"。研究團隊設計并合成新型多功能籠狀二銨氯化物分子——1,4-二氮雜雙環[2.2.2]辛烷氯化物（DCl），嵌入鈣鈦礦/C60界面，通過劉易斯酸/堿基團、強分子極性及籠狀結構，同步實現缺陷鈍化、界面偶極調控、抑制非輻射復合和優化能帶對準等多重功能。
二、 QFLS表征與載流子動力學解析
QFLS的計算方法與數據來源
該研究通過測量光致發光量子產率（PLQY）來計算內部QFLS值。實驗中，采用帶隙為1.68 eV的鈣鈦礦薄膜（Cs0.05(FA0.77MA0.23)0.95Pb(I0.77Br0.23)3）沉積在ITO/MeO-2PACz基板上進行測試。QFLS的計算依賴于PLQY值、生成電流密度JG（近似為JSC = 21.5 mA cm?2）以及暗輻射復合飽和電流密度J0,rad。其中，J0,rad通過詳細平衡原理（結合EQE數據）計算得到，約為4.153×10?23 Am?2。
QFLS測量結果與數據解析
研究人員針對幾種關鍵的半器件結構進行了PLQY/QFLS測量（圖2a）：
對照組薄膜（MeO-2PACz/Perovskite）： 測得的隱含PLQY為0.318%。 計算得到的QFLS為1.265 eV。
覆蓋C60后的對照組（MeO-2PACz/Perovskite/C60）： PLQY急劇下降至0.0033%。 計算得到的QFLS降至1.147 eV。這一顯著下降證明了C60界面引入了強烈的表面復合。
DCl處理后的器件（MeO-2PACz/Perovskite/DCl/C60）： PLQY大幅提升至0.0949%。 計算得到的QFLS恢復至約1.234 eV。
QFLS數據對比顯示DCl處理能有效抑制C60誘導的非輻射復合。DCl處理后，QFLS幾乎恢復到未覆蓋C60裸膜的水平（1.234 eV vs. 1.265 eV），量化了界面能損的最小化程度。
表面電子學結構分析（圖3b, 附圖31）與QFLS結果一致。KPFM測量顯示DCl處理使鈣鈦礦表面費米能級（EF）變淺（功函數降低），在光照下有利于電子準費米能級（Efn）和電洞準費米能級（Efp）產生更大分裂，形成更大的QFLS。DCl誘導的QFLS提升預示了器件潛在VOC損失的降低。
研究通過PLQY計算QFLS（如1.147 eV恢復至1.234 eV），量化界面能損，證明了非輻射復合的抑制效果。Enlitech QFLS-Maper檢測儀涵蓋研究所需的核心功能，提供PLQY、iVoc和Pseudo J-V等關鍵參數測量。設備能在3秒內可視化QFLS影像，直觀顯示材料缺陷與載流子均勻性分布；并在2分鐘內預測iVoc與效率限值。QFLS-Maper可用于光電材料缺陷源分析、驗證界面工程效果及評估材料潛力的診斷平臺。
光致發光映射（PL mapping）表征與數據解析
PL mapping是評估太陽能電池吸收層薄膜空間均勻性和表面缺陷分布的空間分辨光電檢測技術。研究中用于驗證DCl分子修飾鈣鈦礦薄膜界面的鈍化效果。
使用顯微拉曼光譜儀在連續模式下獲取穩態光致發光（SSPL）及相應的PL圖像，通過空間分辨的PL圖像揭示鈣鈦礦薄膜表面陷阱態分布和非輻射復合程度。
圖2b.c（對照組、DCl處理組PL映射圖）：
對照組薄膜光致發光分布相對不均勻，發光強度較低。DCl處理后薄膜展現更均勻的熒光分布，伴隨更高的熒光強度。
附圖23（PL強度直方圖）：
DCl處理后的直方圖分布集中，整體強度向高值偏移，驗證了PL強度的提升。
載流子動力學意義：
PL mapping結果與穩態PL光譜（附圖22）一致，顯示DCl處理后PL強度增強，表明非輻射復合得到抑制。均勻且高強度的熒光分布證明表面陷阱態減少，DCl誘導的準二維鈣鈦礦實現了對晶界和晶粒內部的同步均勻鈍化。
Enlitech SS-LED220 大光班太陽光模擬器
研究通過精準J-V曲線實現31.1%疊層效率驗證，并以MPPT追蹤證實超過1020小時的穩定性。Enlitech SS-LED220模擬器提供A++時間穩定性（< 0.5%），適用于長期壽命測試需求。該設備針對光敏感的鈣鈦礦和疊層電池設計，能減少傳統光源波動，有助于確保高精度J-V數據的可重復性，并以超過10,000小時使用壽命支持長周期穩定性追蹤。
三、結論與研究成果 (Conclusion and Achievements)
研究成功開發并應用了多功能籠狀雙銨氯化物（DCl）分子對鈣鈦礦/C60界面進行修飾。該分子通過劉易斯酸/堿基團與界面偶極矩調控，抑制了表面缺陷和復合損失。更重要的是，籠狀雙銨陽離子誘導形成了具有自發面內取向且具有鐵電效應的純相準二維鈣鈦礦。這種鐵電界面物理特性通過降低表面功函數，促進了載流子的分離和提取。
主要器件性能總結：
• 單結鈣鈦礦太陽能電池： 1.68 eV單結電池實現了22.6%的效率（0.1 cm2）。在大面積器件（1.21 cm2）上仍保持21.0%的高效率。（圖4b.c）
• 鈣鈦礦/硅疊層電池： 將DCl介導的鐵電準二維鈣鈦礦引入單片式鈣鈦礦/TOPCon疊層電池中，實現了31.1%的效率（1.0 cm2，反掃描：VOC = 1.905 V，FF = 80.1%，JSC = 20.4 mA cm?2）。（圖4f）
• 穩定性： 在ISOS-L-1標準下（環境條件，未封裝），DCl處理的疊層器件展現出優異的長期工作穩定性，在1020 h后仍保留85.4%的初始效率。（圖S57）
文獻參考自nature communications_DOI: 10.1038/s41467-025-63720-8
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