西北工业大学涂用广、北京大学朱瑞、华侨大学吴季怀教授团队主导的研究，于2025年在学术期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上发表了一篇名为Reducing Energetic Disorder for High-Efficiency Perovskite Solar Cells with Low Urbach Energy by in Situ NH₃ Generation的论文。研究专注于钙钛矿材料中能量无序度（Energetic Disorder）问题及其与开路电压损失 (VOC, loss) 的关联，并提出了一种简单且有效的方法来推进器件性能。
1. 研究背景与挑战
金属卤化物钙钛矿材料（Metal Halide Perovskites）虽然具有缺陷耐受性，但其固有的晶体缺陷仍会导致载流子非辐射复合（Non-radiative Recombination），这直接决定了光伏器件的能量损失。这些晶格缺陷造成电子态延伸至带尾（Band Tails），形成能量无序度。
研究团队通过调控钙钛矿的结晶过程，增强晶体的能量有序度，减少缺陷态。研究团队采用了一种原位NH₃生成策略，将苯甲酸铵 (AmBz) 引入到钙钛矿前驱体溶液中。AmBz在退火过程中热分解，释放出NH₃气体。
为证实此设计，研究团队进行了热重分析 (TGA) 实验（如图1a所示），证明AmBz在加热至80°C时即释放出NH₃。随后，原位释放的NH₃与钙钛矿形成可逆的液相络合物，从而改变了钙钛矿的成核和晶体生长动力学，抑制了过快的相变。
2. QFLS 表征与核心解析
2.1. VOC, loss的QFLS分解与EQEEL表征
QFLS是衡量太阳能电池中载流子浓度和其可实现电压的参数。在操作条件下，不可避免的缺陷会增强非辐射复合，降低QFLS，最终导致VOC, loss。
根据详细平衡理论，开路电压损失 (VOC, loss) 可分解为三个部分：
qΔVOC, loss = qΔV₁ + qΔV₂ + qΔV₃
其中，qΔV₁为S-Q理论极限损失，与材料能带隙 (Eg) 相关 (研究中两组Eg=1.57 eV，故qΔV₁皆为274 meV)。qΔV₂来源于辐射复合和非理想EQE造成的损失，数值较小。qΔV₃则是非辐射复合损失，通常是VOC, loss的主要成分。
研究团队使用电致发光量子效率 (EQEEL) 来定量qΔV₃。qΔV₃可由公式ΔV₃ = -kT/q ln(EQEEL)获得。
图 3b： 对照组的EQEEL仅为0.31%，对应qΔV₃为149 meV。
图 3g： AmBz处理组的EQEEL显着提高至2.11%，对应qΔV₃降至99 meV。
这50 meV的非辐射复合损失差异，归因于AmBz改善了钙钛矿晶体质量，降低了注入电荷在薄膜内遇到的能量无序度，进而提高了EQEEL。
研究运用EQEEL和PLQY等光电检测技术，量化钙钛矿的非辐射复合损失，实现VOC提升。为支持此类分析工作，可选用QFLS-Maper准费米能级分裂侦测仪。该仪器整合EL-EQE、PLQY、iVOC及Pseudo J-V等多模块功能，能在3秒内提供QFLS可视化影像，帮助观察载流子分布和材料质量（QFLS image），并评估潜在效率极限，可作为钙钛矿优化策略的分析工具。
2.2. 光致发光映像 (PL Mapping) 数据解析
PL Mapping是评估光伏材料薄膜晶体质量和缺陷分布的非接触式检测技术。PL讯号强度与载流子寿命呈正比，与非辐射复合率呈反比。研究使用雷射扫描共焦显微镜 (Enlitech, SPCM-1000)，506 nm雷射激发，功率5 μW。
图2e–g比较了Control组、BA组和AmBz组的PL Mapping光谱。AmBz处理组展现明显更强的PL信号，反映晶体质量提升和缺陷密度降低。原位NH₃生成使晶格排列更有序，抑制非辐射复合路径，提高辐射复合效率。
PL Mapping结果与TRPL测量一致：AmBz组平均载流子寿命（τave）延长至1635.43 ns，远高于Control组的605.64 ns，证实NH₃策略有效改善载流子动力学性能。
2.3. Urbach能量 (EU) 与非辐射损失 (ΔVOCnon-rad) 的定量关系
为精确量化能量无序度，研究采用光热偏转光谱（PDS）来表征EU。
图 3c, d： AmBz组的EU测得为23.7 meV，明显低于对照组的27.5 meV。
由于EU的静态无序部分 (EU(0)) 贡献极小 (通常低于5 meV)，两组EU的差异主要来自于动态无序部分 (EU,D)，反映了电子-声子相互作用的差异。
研究利用EU的数值，根据理论模型计算了由EU引起的体相（bulk）非辐射复合开路电压损失 (ΔVOCnon-rad)：
图 3e： 对照组的ΔVOCnon-rad为110.71 mV；AmBz组的ΔVOCnon-rad显着降低至56.38 mV。
EU估算的体相非辐射损失减少了54.33 mV (110.71 - 56.38 mV)，与实验中VOC实际提升的52 mV高度吻合。这项定量分析表明，QFLS的显着提升主要来源于钙钛矿薄膜内部能带尾部损失 (Vtailrad) 的有效抑制 (图 3f)。通过QFLS的分解与定量，该研究清晰地展示了原位NH₃策略增强结构有序性、降低EU，从而有效减轻非辐射复合损失的核心物理机制。
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3. 结论与研究成果
研究成功应用原位NH₃生成策略调控钙钛矿结晶动力学。在成核和晶体生长过程中，NH₃分子延迟了相变，使晶格有更充足的时间有序排列，并在DFT层面确认了NH₃有效抑制缺陷形成。
最终研究团队获得了具有高度能量有序性的钙钛矿薄膜，其EU仅为23.7 meV。
光电性能： 器件实现了26.26%的功率转换效率 (PCE)，VOC高达1.182 V。相较于对照组，VOC提升了52 mV。
稳定性： 在ISOS-D-1I协议下，氮气储存1100 h后仍保持初始效率的95%以上；在ISOS-D-2I协议下，65°C加热环境中700 h后仍保持90%以上的稳定性。
规模化： 5×5 cm²迷你模块也达到了21.31%的PCE。
图4a与图4b：高性能钙钛矿光伏器件的光电性能与滞后特性分析
图4总结了经AmBz处理的钙钛矿太阳能电池（PSCs）在光电性能和长期稳定性上的提升，验证了NH₃原位生成策略、降低能量无序度、并提升准费米能级分裂 (QFLS) 成果的核心数据。
文献参考自Angewandte Chemie International Edition_DOI: 10.1002/ange.202516464
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