研究背景与策略概述

钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 在新一代光伏技术中备受关注，但其商业化进程仍受制于效率和稳定性之间的权衡问题。活性层中的晶面品质与晶体取向（例如 (100) 与 (111) 晶面）对于电荷传输和降解行为具有显着影响。在制备过程中，溶剂与添加剂的作用往往相互交织，使得制造均匀单一取向的薄膜成为一项艰鉅的挑战。

该研究由中国科学院院士李灿，和大连化学物理研究所刘劼玮教授团队完成，并发表于 Environmental Science (DOI: 10.1039/d5ee04415d)。研究团队提出了一种新颖的溶剂-添加剂级联调控 (Solvent-Additive Cascade Regulation, SACR) 策略。此方法通过两步骤程序，将溶剂驱动的初始中间相组装与添加剂导向的晶面精炼顺序耦合。机制分析显示，溶剂（如 DMF/DMSO 或 DMF/NMP 系统）通过拓扑化学组装 (topochemical assembly) 来确立晶体生长的初始取向，而后续引入的添加剂（CHA 或 CHAI）则借由与晶核之间不同的键合强度，来调控特定的晶面生长，从而将取向异质性转变为均匀性。

通过 SACR 策略，研究团队成功制备出遵循伍尔夫结构原理的均匀 (111) 和 (100) 取向钙钛矿薄膜。(100) 取向的 n–i–p 结构器件实现了 25.33% 的最佳光电转换效率 (PCE)，而 (111) 取向器件则展现出长期操作稳定性。

准费米能级分裂 (QFLS) 的表征与机制解析

QFLS 测量与数据来源：

研究采用光致发光量子产率 (PLQY) 测量来定量评估非辐射复合损失。在获得 PLQY 数据后，即可根据既有文献方法计算出 QFLS 值。

图 5e 展示了净钙钛矿薄膜以及与传输层界面堆叠（HTL/钙钛矿和钙钛矿/ETL 界面）的 PLQY 和 QFLS 数据。

• QFLS 数据差异： 经 SACR 优化的 (111) 和 (100) 取向薄膜，无论在玻璃基板上还是与传输层堆叠后，其 PLQY 和 QFLS 值均显着高于随机取向的薄膜。这直接证实了 SACR 策略有效减少了界面损失。

• 晶面依赖性解析： (111) 取向薄膜在 HTL/钙钛矿堆叠上表现出更高的 QFLS，这与其 P 型电性特征相符；相对地，(100) 取向薄膜则在 ETL/钙钛矿堆叠处获得较高 QFLS，反映出其 N 型电性。这两种晶面特性与 KPFM 测量结果一致。

研究通过精确测量光致发光量子效率（PLQY），计算准费米能级分裂（QFLS）值，进而评估钙钛矿薄膜在不同晶面取向下的非辐射复合损失并预测内建开路电压 (iVoc) 极限。针对此类关键表征需求，QFLS-Maper 准费米能级分裂检测仪提供了有效的解决方案。该仪器能在 3 秒内完成 QFLS 影像可视化，直观呈现准费米能级分布。此外，QFLS-Maper 整合了 PLQY、iVoc 和 Pseudo J-V 等多模态功能，仅需数分钟即可快速预测材料效率潜力，适用于界面工程与材料优化研究。

QFLS 在载子动力学中的作用：

QFLS 的扩大直接有助于提高 Voc。高 QFLS 值表示薄膜内部的非辐射复合得到有效抑制，反映了更高的载流子浓度和更优异的薄膜品质。

• 能级匹配分析： 通过紫外光电子能谱 (UPS) 测量，研究描绘了不同取向钙钛矿薄膜的能级图      (图 5d)。(111) 取向薄膜具有更深的价带最大值 (VBM) 和导带最小值 (CBM)。但是，(100) 结构提供了更适合电子传输层 (ETL) 和空穴传输层 (HTL) 之间的能级位置，从而实现更高效的载流子传输和提取。

• 与内建电压的关联： QFLS 的提升与      Mott–Schottky 测量中提取出的内建电压增强趋势一致 (图 5g)。这表明 SACR 策略通过优化晶面取向，降低了复合中心，从而提高了器件的内建电场和 Voc 潜力。

PL 图谱的辅助分析：

研究同时利用共焦光致发光图谱 (Confocal PL mapping) 进行微观缺陷分析。PL-强度图谱 (图 4c) 显示，与随机取向薄膜相比，定向薄膜的整体 PL 强度更高且均匀性大幅改善。

PL-位置图谱 (图 4d) 则揭示，随机薄膜中 PbI2 倾向于聚集在晶界，但经 SACR 处理后，PbI2 团簇被细腻分散。(100) 取向薄膜的残留 PbI2 最少，这对于提高电荷传输效率是关键因素。这些光学分析结果，特别是 PL 强度和均匀性的提升，与 QFLS 数据所揭示的复合损失降低相吻合。

结论与核心贡献

该研究确立的 SACR 策略，成功克服了在两步骤制程中难以实现均匀、可调控晶面取向的挑战。通过精确控制溶剂在拓扑组装中的启动作用和添加剂在晶面精炼中的调控作用，研究实现了 (100) 和 (111) 单一取向薄膜的制备。

核心研究成果总结：

• 效率与稳定性解耦： (100) 取向的 PSCs 达到了 25.33%      的高效率，主要是因为其载流子提取效率高且复合损失低(图 5c)。

• 相比之下，(111) 取向器件则表现出环境稳定性，在 40% 相对湿度下运行 2000 小时后仍能保持超过 95% 的初始效率(图 5h)。

• QFLS 的核心贡献： QFLS 测量在该研究中扮演了关键角色，它将宏观的 Voc 性能与微观的非辐射复合机制直接联系起来。QFLS 的提升有力地证实了 SACR 策略在优化薄膜质量、抑制界面损失方面的有效性，佐证了 (100) 晶面优异的光电性能源于载流子复合的有效抑制。

文献参考自Energy & Environmental Science_DOI: 10.1039/d5ee04415d

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