Preface

Na pesquisa de materiais fotovoltaicos solares e avançados, a divisão de energia de nível quasi-fermi (QFLS(e sua distribuição espacial)Mapeamento QFLSÉ uma ferramenta fundamental para entender materiais, diagnosticar gargalos de dispositivos, orientar o desenvolvimento de novos materiais e otimizar processos.

QFLSÉ a pobre energia química dos veículos fotobióticos (elétrons e buracos) em estado de desequilíbrio. Em teoria, é diretamente igual à tensão de circuito aberto do dispositivo ideal (Voc). Mas no dispositivo real, a perda de potencial eletroquímico na camada de transmissão e na interface do eletrodo leva a esta relação ideal.'Não coincide'Analisar essa incompatibilidade é um avanço na melhoria da tecnologia fotovoltaica.

QFLSPor que é tão importante na pesquisa fotovoltaica?

QFLSMedir diretamente a qualidade do material da camada de absorção fotovoltaica, representando o limite superior teórico da tensão de circuito aberto do dispositivo. Nós calibramos a luminosidade (PLMedição espectral diretaQFLSEvite problemas de interface complexos ao criar dispositivos completos. AtravésQFLSA capacidade de avaliar diretamente a atividade composta do próprio material ajuda os pesquisadores a entender seu potencial intrínseco no início do desenvolvimento do material.

QFLSMedição para quantificar diretamente a perda composta de radiação e não composta de radiação em células solares. Os compostos não radiológicos causamQFLSA principal causa do desvio do limite de radiação. Essa diferença permite identificar com precisão a causa da perda de tensão: a composição corporal do próprio material ou o problema da interface.

InterpretaçãoQFLScomVocdo“Mistério da incompatibilidade”

Em teoria,QFLSDeve ser igual à tensão de circuito aberto externo do dispositivoVoc（Voc = ΔEF/q). No entanto, no dispositivo real, muitas vezes existem diferenças entre os dois. Essa diferença revela a existência de uma perda de potencial eletroquímico na interface.

AlemanhaFraunhofer ISEdoUli WürfelA equipe de professores está2021anoTecnologia EnergéticaNota-se que as células solares de perovskite planoVocElevado.250mVMas...PLO sinal muda menos do dobro.[1]. Eles acreditam que isso pode ser usado com um pequeno número de portadores a nível de energia quasi-fermi (QFL) para explicar o gradiente correspondente à direção do eletrodo. Saturação da velocidade do carregador no nó heterogêneo pode levar aQFLNão contínua. Sob a influência do movimento iônico, a incompatibilidade é mais evidente. Isso indica que, mesmo que o material em si é de boa qualidade, se a transmissão de potencial eletroquímico da interface é má, externamenteVocTambém não é possível expressar o interior.QFLSO potencial.

Imagens extraídas de:Movimento de íons explica enorme aumento de COV apesar da divisão interna quase inalterada de nível de Fermi em células solares de perovskita plana - Fig.2

AlemanhaUniversidade de PotsdamdoMartin StolterfohtA equipe de professores está2021anoMateriais Energéticos AvançadosNo documento, é detalhadaQFLS-VocMecanismo incompatível[2]Eles definiram o fator seletivo da maioria dos transportadores (seletividade, Se,maioEste fator está relacionado com a resistência de contato da maioria e da minoria dos transportadores. Através do Diagrama1diagramas de energia, que mostram como as camadas de contato eletrônicos eletrônicos seletivos e não seletivos afetamQFLgrau de curvatura, o que resultaQFLS-VocNão coincide. A presença de baixas taxas de migração na camada média também pode levar a gravesQFLS-VocIncompatibilidade, mesmo queQFLSAumentação contínua,VocMas pode cair.Figura 5(b)e5(c)e5(d)Os resultados da simulação mostram como a baixa migração afeta a camada médiaQFLSO gradiente eVoctendência decrescente.

Imagens extraídas de:Incompatibilidade da Divisão de Nível Quasi-Fermi e Voc em Células Solares de Perovskite - Fig.1

Para selecionar rapidamente materiais com potencial de alta eficiência e otimizar materiais de camada de transporte,QFLS-MapeadorEquipamentos de teste podem fornecer um rápido e precisoQFLSmedir e, em seguida, prever o limite de eficiência teórica do material e gerarPseudo J-VCurvas. Desta forma, os pesquisadores podem capturar rapidamente o potencial do material antes da preparação do componente, reduzindo drasticamente os custos e o tempo de teste e erro.

Mapeamento QFLSVisualização revela uniformidade e defeitos dos materiais

Ponto únicoQFLSA medição é importante, mas a uniformidade do material em escala microscópica tem um impacto decisivo no desempenho do dispositivo.Mapeamento QFLSTecnologia fornece superfície de materialQFLSImagens visuais distribuídas para que os materiais sejam visíveis. AtravésMapeamento QFLSObservação direta de todas as áreas do materialQFLSDiferenças para identificar defeitos locais ou problemas de desigualdade.

Reino UnidoUniversidade de CambridgedoSam StranksEquipe de professoresem2025anoCartas ACS EnergiaUtilizando o espectro absolutoPLTecnologia de imagem obteve a sub-bateriaQFLSMapa[3]Eles compararam.O GO/2PACzBateria em série e bateria de referênciaQFLSDistribuição, resultados mostradosO GO/2PACzBateria serial em baixa faixa de banda (LBG(e largura de banda)do WBGSub-bateria mostra-se mais uniformeQFLSDistribuição. Isso significa que o composto não radiante é inibido e a perda de tensão interna e externa é melhorada.Figura 3(a)e3, alínea b)doQFLSimagens, eSuplementária Fig. S14eS15doQFLSHistograma de distribuição que mostra intuitivamente diferentes pares de camadas de interfaceQFLSEfeitos da uniformidade.

Imagens extraídas de:Camada de interconexão otimizada com base em óxido de grafeno em células solares em tándem de perovskite - Fig.3ab

Equipe do Professor Hou Yi da Universidade Nacional de Singapuraem2024ano publicado emEnergia e Ciência AmbientalNo artigo, mostramos diferentes filmes de perovskiteQFLSImagens[4]Descobriram que, ao passarPhAFilmes modificados mostram maior intensidade em toda a área de testeQFLSvalor com melhor uniformidade espacial, o que provaPhAPode passivar defeitos e reduzir compostos não radiantes, melhorando assim a qualidade fotoelétrica da película de perovskite.Figura 3(a)apresentados esses resultados.

Imagens extraídas de:Superar o limite de 90% de COV de Shockley-Queisser em células solares de perovskite de banda larga de 1,79 eV usando monocamadas auto-montadas substituídas pelo bromo - Fig.3a

AtravésQFLS-MapeadorEquipamentos de detecção, os pesquisadores podem em breve3Obter em segundosQFLSVisualização. Isso não só permite uma rápida compreensão do material como um todo.QFLSA distribuição e a capacidade de avaliar a uniformidade e os defeitos dos materiais em tempo real oferecem vantagens insubstituíveis para a triagem de materiais e o monitoramento do processo na fase inicial de pesquisa e desenvolvimento.

Perda de energia quantificada: a partir deO PLQYParaQFLS

QFLSNão só pode avaliar qualitativamente a qualidade do material, mas também pode analisar quantitativamente a perda de energia.QFLSA fórmula de cálculo é:QFLS = kBT ln (PLQY × JG / J0,rad)Aqui.O PLQYé a produtividade quântica fotogênica,JGé a densidade da corrente fotobiológica,J0, radé a densidade de corrente saturada de radiação em estado escuro. Esses parâmetros permitem desmontar com precisão a proporção de perdas compostas de radiação e não-radiação.

AlemanhaUniversidade de Potsdam Martin StolterfohtEquipe de professoresem2020ano publicado emMateriais e Interfaces Aplicadas ACSNo artigo, a utilizaçãoO PLQYeJGQuantificado.QFLS [5]Descobriram que, através da comparaçãoQFLScom limites de radiação.COV，MAPIPerdas compostas não radiológicas estão presentes tanto em perovskite como em perovskite tricational (MAPIAproximadamente200 megavoltsPerovskita de três íons110 megavolts). Eles também observaram que emHTL ouInterfaces de perovskita e perovskita/ C60Aumento da perda composta da interface.Tabela 2listando os dados dessas perdas,Suplementária Fig. S5demonstração dessas perdas. Este estudo mostraQFLSComo localizar pontos quentes compostos com precisão.

Imagens extraídas de:Defeito e Recombinação de Interface Limitada Divisão de Nível Quasi-Fermi e Tensão de Circuito Aberto em Mono - Fig.2

Instituto de Bioenergia e Processos de Qingdao, Academia Chinesa de Ciênciasem2024anoMateriais Avançados“No usoQFLSQuantificação da perda de energia causada por compostos não radiológicos em células solares de perovskite[6]Eles usamEQECálculo espectralJGe em combinação com o cálculo do espectro de radiação do corpo negroO J0Avaliação precisaQFLS- É.

Imagens extraídas de:Quasi melhorado‐Divisão de níveis de Fermi de células solares de perovskita por dupla universal‐Polímero funcional – Fig.4b

Equipe do Professor Li Gang da Universidade Politécnica de Hong Kongem2025anoMateriais Avançados"No usoQFLS = qVoc,rad + kBT ln(PLQY)Baixa resolução da fórmulaCOVFonte da perda[7]Descobriram que noSnO2 ouPerovskita enterrado na interface, através de sua estratégia, perda de energiaΔ(COV, rad)−QFLS)de62 megavoltsReduzir para34 megavolts- É.Figura 4(e)eTabela S5Estes dados mostraram-se ultra-baixos.COVA perda é atribuída principalmente à eliminação de compostos não radiantes na interface.

Imagens extraídas de:A regulação da interface enterrada com um modelo montado supramolecular permite que as células solares de perovskite de alto desempenho minimizem o déficit de COV – Fig.4e

QFLS-MapeadorEquipamento de detecção com sua alta6um nível de quantidade.O PLQYSensibilidade, pode ser1E-4%doO PLQYValores para medição. Além disso, ele adotado NISTComponentes rastreáveis e métodos de medição reconhecidos internacionalmente garantemQFLSprecisão da medição. Isso permite que os pesquisadores quantifiquem com precisão as perdas de compostos não radiológicos, fornecendo apoio de dados confiáveis ​​para a otimização de materiais.

Guia para engenharia de materiais e interfaces

QFLSNão é apenas uma ferramenta de diagnóstico, mas também um guia para a engenharia de materiais e interfaces. AtravésQFLSAs alterações permitem avaliar os efeitos dos diferentes materiais da camada de transporte e o efeito de processos como a limpeza química ou o refresco nas propriedades da superfície da camada de absorção.

LuxemburgoUniversidade de Luxemburgo Susanne SiebentrittEquipe de professoresem2018ano publicado emJornal do IEEE de FotovoltaicaNo artigo, foi discutidoNaFeNaF + RbFTratamento pós-sedimentaçãoCIGSEfeitos do filme[8]Descobriram que, ao passarNaF + RbFcamada de absorção tratada,QFLSMais do que apenas passarNaFamostras tratadas, o que é atribuído à redução de compostos não radiológicos, mesmo emCDSocorreu antes do depósito. Mesmo a camada de absorção exposta ao ar, degradação superficial, após o tratamento de metais pesados alcalinos,QFLSA mesma tendência de aumento também foi mostrada, sugerindo que o tratamento de metais alcalinos melhora a qualidade e a superfície da própria camada de absorção.Figura 3apresentaram essas tendências.

Imagens extraídas de:Influência do Tratamento de Pós-deposição de Sódio e Rubídio na Divisão de Nível Quasi-Fermi de Filmes Finos Cu(In,Ga)Se2 – Fig.3

ArgéliaEscola Nacional Superior de Energias RenováveisdoHichem BencherifEquipe de professoresem2025anoEnergia SolarEm seu estudo, em3DIntrodução em perovskita2DEfeitos de camadas duplas e diferentes camadas de transmissão de buracos elétricos[9]Descobriram que essas otimizações melhoraramO PLQYeQFLSdiminuição das perdas não radiológicas.Figura 5eTabela 6demonstrando os efeitos desses aumentos.

Imagens extraídas de:Alcançar a divisão de nível Quasi-Fermi perto do seu limite radiativo em células solares de perovskite 2D / 3D eficientes e estáveis: modelo de equilíbrio detalhado - Fig.5a

QFLS-MapeadorEquipamento de teste para estratificação rápidaQFLSTeste e suporte para mudanças de fase de tempo in situPLAnálise. Durante a preparação, os pesquisadores podem avaliar camada por camada o impacto de cada material no desempenho geral, identificar rapidamente gargalos e otimizar as condições de processo e a escolha de materiais.

Explore a dinâmica do transportador e o controle de defeitos

QFLSNão só é associado ao desempenho do dispositivo macroscópico, mas também reflete mais profundamente a concentração, a vida útil e os níveis de doping do veículo microscópico. Mais alto.QFLSIsso pode significar menor atividade do composto e também pode indicar maior concentração de dopagem. Para distinguir os dois efeitos, é necessárioQFLScombinação com outros métodos de medição.

Equipe de professores da Universidade de Henan, China2023anoComunicações NaturezaDescubre como aumentarQFLSPara reduzir a produção de calor dos diodos emissores de ponto quântico[10]. Eles descobriram que, para uma determinada densidade de eletrônicos, se a taxa de absorção da película permanecer inalterada, a reduçãoQDDensidade de empilhamento pode aumentar os eletrônicosQFLSEste estudo, emboraLEDMas o seu pensamento central——Melhore através da otimização do gerenciamento de portadoresQFLSO mesmo se aplica ao campo fotovoltaico.

Imagens extraídas de:Minimizar a geração de calor em diodos emissores de luz de ponto quântico aumentando a divisão de nível quasi-Fermi – Fig1b

QFLS-MapeadorEquipamentos de detecção não são apenas acessíveis ​​rapidamenteQFLSDados, cuja função multimodal também permite a combinação com outras técnicas de medição, como a resolução do tempoPL（TRPLIsso permite uma análise mais abrangente de mecanismos físicos profundos, como a vida útil do veículo, a concentração de dopagem e a densidade de defeito.

Conclusão

QFLSSua tecnologia de mapeamento tornou-se uma ferramenta para a pesquisa fotovoltaica. Ele não só fornece meios para quantificar a perda de energia, mas também atua como orientador na triagem de materiais, engenharia de interfaces, otimização de processos e compreensão da física básica. Desde o diagnóstico macroscópico do desempenho do dispositivo até a dinâmica microscópica do veículo e o controle de defeitos,QFLSFornece uma visão multidimensional que acelera o processo de desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos fotovoltaicos de alta eficiência. Dominar e usarQFLSA análise é uma habilidade importante para qualquer profissional envolvido na pesquisa de materiais e dispositivos fotovoltaicos.

Referências

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7. Wang, Z., Liang, Q., Li, M., Sun, G., Li, S., Zhu, T., Han, Y., Xia, H., Ren, Z., Yu, B., Zhang, J., Ma, R., Chandran, H. T., Cheng, L., Zhang, L., Li, D., Chen, S., Lu, X., Yan, C., Azmi, R., Liu, K., Tang, J., & Li, G. (2025). A regulação da interface enterrada com um modelo montado supramolecular permite que as células solares de perovskite de alto desempenho minimizem o déficit de COV.Materiais AvançadosPublicação online avançada. DOI:10.1002/adma.202418011

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9. Aouni, Q., Kouda, S., Batoo, K. M., Ijaz, M. F., Sahoo, G. S., Bhattarai, S., Sasikumar, P., & Bencherif, H. (2025). Alcançar a divisão de nível Quasi-Fermi perto do seu limite radiativo em células solares de perovskite 2D/3D eficientes e estáveis: modelo de equilíbrio detalhado.Energia solar, 286, 113144. DOI:10.1016/j.solener.2024.113144

10. Gao, Y., Li, B., Liu, X., Shen, H., Song, Y., Song, J., Yan, Z., Yan, X., Chong, Y., Yao, R., Wang, S., Li, L. S., Fan, F., & Du, Z. (2023). Minimizar a geração de calor em diodos emissores de luz de ponto quântico aumentando a divisão de nível quasi-Fermi.Natureza Nanotecnologia, 18(10), 1168–1174. DOI:10.1038/s41565-023-01441-z