Préface

Dans la recherche sur le photovoltaïque solaire et les matériaux avancés, la Division des niveaux quasi - Fermi (QFLS), et sa cartographie de la distribution spatiale (Cartographie QFLS), est un outil clé pour comprendre les matériaux, diagnostiquer les goulots d'étranglement des dispositifs, guider le développement de nouveaux matériaux et l'optimisation des processus.

QFLSEst la différence d'énergie potentielle chimique des porteurs photogénérés (électrons vs trous) à l'état non équilibré. En théorie, il est directement égal à la tension en circuit ouvert du dispositif idéal (Voc). Mais dans le dispositif réel, il y a une perte de potentiel électrochimique à l'interface de la couche de transport et des électrodes, ce qui conduit à cette relation idéale.'Ne correspond pas'. L'analyse de ce décalage est une brèche dans l'amélioration de la technologie photovoltaïque.

QFLSPourquoi est - ce si important dans la recherche photovoltaïque?

QFLSMesure directe de la qualité du matériau de la couche absorbante photovoltaïque, représentant la limite supérieure théorique de la tension en circuit ouvert du dispositif. Nous émettons de la lumière par Calibration (PL) mesure directe spectraleQFLSÉvitez les problèmes d'interface complexes lors de la fabrication de dispositifs complets. ParQFLSPeut évaluer directement l'activité composite du matériau lui - même, aider les chercheurs à comprendre son potentiel intrinsèque au début du développement du matériau.

QFLSLa mesure quantifie directement la perte de recombinaison radiative par rapport à la perte de recombinaison non radiative dans une cellule solaire. La recombinaison non radiative provoqueQFLSPrincipales causes de déviation des limites de rayonnement. Grâce à cette différence, il est possible d'identifier avec précision la source de la perte de tension: à partir de la composition du corps du matériau lui - même ou d'un problème d'interface.

InterprétationQFLSAvecVocde“Le mystère de la non - correspondance« et

En théorie,QFLSDoit être égale à la tension extérieure en circuit ouvert du dispositifVoc(Voc = ΔEF/q). Mais dans les dispositifs réels, il y a souvent des différences entre les deux. Cette différence révèle l'existence d'une perte de potentiel électrochimique à l'interface.

AllemagneFraunhofer ISEdeUli WürfelL'équipe de professeurs en2021AnnéeTechnologie énergétiqueIl est noté que les cellules solaires plats en pérovskiteVocAugmenté250 mVMaisPLLe signal varie moins de deux fois[1]. Ils pensent que cela peut être quasi - Fermi niveau avec quelques porteurs (QFL), le gradient en direction de l'électrode correspondante est expliqué. La saturation de la vitesse des porteurs dans l'hétérojonction peut conduire àQFLDiscontinu. Sous l'influence du Mouvement ionique, le phénomène d'inadéquation est plus prononcé. Cela illustre que même si le matériau lui - même est de bonne qualité, si la transmission du potentiel électrochimique à l'interface est mauvaise, l'extérieurVocNe peut pas non plus incarner l'intérieurQFLSPotentiel.

Image tirée de:Le mouvement des ions explique une augmentation énorme des COV malgré la scission interne quasi-Fermi presque inchangée dans les cellules solaires de perovskite plane - Fig.2

AllemagneUniversité de PotsdamdeMartin StolterfohtL'équipe de professeurs en2021AnnéeMatériaux énergétiques avancésEn détailQFLS-VocLes mécanismes qui ne correspondent pas[2]. Ils définissent le facteur de sélectivité des porteurs majoritaires (sélectivité, Se,mai), ce facteur est lié à la résistance de contact des porteurs majoritaires et minoritaires. Par le diagramme1Diagramme de bande d'énergie, ils montrent comment les couches de contact de trous électriques sélectifs et non sélectifs affectentQFLLe degré de flexion, qui à son tour conduit àQFLS-VocNe correspond pas. La présence d'une couche intermédiaire à faible mobilité peut également conduire à desQFLS-VocNe correspond pas, même siQFLSUne élévation continue,VocMais peut descendre.Figure 5 b)Et,5 c)et5 d)Les résultats de la simulation montrent comment la couche intermédiaire à faible mobilité affecteQFLSLe Gradient etVocTendance à la baisse.

Image tirée de:Incompatibilité de la scission de niveau Quasi-Fermi et Voc dans les cellules solaires de perovskite – Fig.1

Pour filtrer rapidement les matériaux ayant un potentiel de rendement élevé et optimiser les matériaux de la couche de transport,Carteur QFLSL'équipement de détection peut fournir rapidement et avec précisionQFLSMesure, qui à son tour prédit la limite supérieure d'efficacité théorique du matériau et génèrePseudo J-VLa courbe. De cette façon, les chercheurs peuvent rapidement saisir le potentiel des matériaux avant la préparation des composants, ce qui réduit considérablement le coût et le temps des essais et des erreurs.

Carte QFLS: la visualisation révèle l'uniformité des matériaux et les défauts

Point uniqueQFLSLa mesure est importante, mais l'uniformité du matériau à l'échelle microscopique a un impact décisif sur les performances du dispositif.Cartographie QFLSLa technologie peut fournir la surface du matériauQFLSUne image visuelle de la distribution qui donne un aperçu de la qualité du matériau. ParCartographie QFLSPeut observer directement les zones du matériauQFLSDifférences, identifier les défauts locaux ou les problèmes d'hétérogénéité.

Royaume-UniUniversité de CambridgedeSam StranksÉquipe de professeursDans2025AnnéeACS Energy LettresEn utilisant le superspectre absoluPLLa technologie d'imagerie a acquis la batterie secondaireQFLSMapping carte[3]. Ils ont comparéGO/2PACzBatterie série avec batterie de référenceQFLSDistribution, affichage des résultatsGO/2PACzBatterie en série à faible bande interdite (LBG) et large bande Gap (Groupe de travail), montre plus uniforme dans la batterie secondaireQFLSDistribution. Cela signifie que la recombinaison non radiative est supprimée et que les pertes de tension interne et externe sont améliorées.Figure 3 a)et3 b)deQFLSUne image, etSupplémentaire Fig. S14etS15deQFLSHistogramme de distribution, montrant visuellement les différentes paires de couches d'interfaceQFLSInfluence de l'uniformité.

Image tirée de:Couche d'interconnexion à base d'oxyde de graphène optimisée dans les cellules solaires en tandem à perovskite - Fig.3ab

Équipe du professeur Hou Yi, Université nationale de SingapourÀ2024Publié dans «Énergie et sciences environnementalesLe papier, montrant différents films de pérovskiteQFLSDiagramme d'imagerie[4]Ils ont découvert que, aprèsPhALe film modifié montre plus élevé dans toute la zone de détectionQFLSValeur et meilleure uniformité spatiale, ce qui prouvePhAPeut passiver les défauts, réduire le composite non radiatif, améliorant ainsi la qualité photoélectrique du film de pérovskite.Figure 3 a)Ces résultats sont présentés.

Image tirée de:Dépasser la limite de 90 % des COV de Shockley-Queisser dans des cellules solaires de perovskite à large bande passante de 1,79 eV en utilisant des monocouches auto-assemblées substituées au brome – Fig.3a

À traversCarteur QFLSDispositifs de détection, les chercheurs peuvent en seulement3Obtenu en secondesQFLSVues visuelles. Cela permet non seulement de maîtriser rapidement le matériau dans son ensembleQFLSLa distribution et l'évaluation en temps réel de l'uniformité et des défauts des matériaux offrent des avantages non remplaçables pour le criblage des matériaux et la surveillance des processus au stade précoce de la recherche et du développement.

Quantification des pertes énergétiques: à partir dePLQYàQFLS

QFLSNon seulement peut juger qualitativement la qualité des matériaux, mais peut également analyser quantitativement la perte d'énergie.QFLSLa formule de calcul est:QFLS = kBT ln (PLQY × JG / J0,rad). iciPLQYEst le rendement quantique de Photoluminescence,JGEst la densité de courant photogénéré,J0, radEst la densité de courant de saturation rayonnante à l'état sombre. Grâce à ces paramètres, il est possible de démonter avec précision la proportion de pertes composites rayonnées et non rayonnées.

AllemagneUniversité de Potsdam Martin StolterfohtÉquipe de professeursÀ2020Publié dans «Matériaux et interfaces appliqués ACSDans le papier, utiliserPLQYetJGQuantifiéQFLS [5]. Ils ont constaté qu'en comparant les mesuresQFLSAvec la limite de rayonnementCOV,MAPIEt le film mince de pérovskite tri - cationique ont une perte composite non radiative (MAPIenviron200 méV, pérovskite tri - cationique environ110 méV). Ils ont également observé que, dans leHTL/Interface pérovskite et pérovskite/ C60La perte composite de l'interface augmente.Tableau 2Les données relatives à ces pertes sont énumérées,Supplémentaire Fig. S5Ces pertes sont montrées. Cette étude illustreQFLSComment localiser avec précision les points chauds composites.

Image tirée de:Defect and Interface Recombination Limited Quasi-Fermi-Level Splitting and Open-Circuit Voltage in Mono – Fig.2

L'équipe du professeur Shuping, Institut de bioénergie et de processus de Qingdao, Académie chinoise des sciencesDans2024AnnéeMatériaux avancés« utiliserQFLSQuantification de la perte d'énergie due à la recombinaison non radiative dans les cellules solaires pérovskites[6]. Ils utilisentEQECalcul spectralJG, et en combinaison avec le calcul du spectre de rayonnement du Corps noirJ0, évaluation préciseQFLS- Oui.

Image tirée de:Quasi amélioré‐Division au niveau de Fermi des cellules solaires de perovskite par double universel‐Polymère fonctionnel – Fig.4b

Équipe du professeur Lee Gang, Université polytechnique de Hong KongÀ2025AnnéeMatériaux avancés« en utilisantQFLS = qVoc,rad + kBT ln(PLQY)Résolution de formule faibleCOVSource des pertes[7]Ils ont découvert que, dansSnO2/Pérovskite enterré à l'interface, par sa stratégie, la perte d'énergieΔ(COV,rad)- le -QFLS)de62 méVRéduit à34 méV- Oui.Figure 4 e)etTableau S5Montrant ces données, confirmant l'ultra faibleCOVLa perte est principalement attribuable à l'élimination de la recombinaison non radiative de cette interface.

Image tirée de:La régulation de l'interface enterrée avec un modèle assemblé supramoléculaire permet aux cellules solaires de perovskite haute performance de minimiser le déficit de COV - Fig.4e

Carteur QFLSL'équipement de détection grâce à son6Ordre de grandeurPLQYSensibilité, peut être obtenue à partir de1E-4 %dePLQYLa valeur est mesurée. En outre, il adoptedu NISTZéro composant traçable et méthode de mesure internationalement reconnue qui garantitQFLSPrécision de la mesure. Cela permet aux chercheurs de quantifier avec précision les pertes composites non radiatives, fournissant ainsi un support de données fiable pour l'optimisation des matériaux.

Guide de l'ingénierie des matériaux et des interfaces

QFLSNon seulement un outil de diagnostic, mais aussi un guide pour l'ingénierie des matériaux et des interfaces. ParQFLSLes variations permettent d'évaluer l'effet des différents matériaux de la couche de transport et l'impact des processus de nettoyage chimique ou de recuit sur les propriétés de surface de la couche absorbante.

LuxembourgUniversité du Luxembourg Susanne SiebentrittÉquipe de professeursÀ2018Publié dans «Journal de photovoltaïque IEEELe papier exploreNaFetNaF + RbFTraitement post - dépôt paireCIGSInfluence du film[8]Ils ont découvert que, aprèsNaF + RbFLa couche absorbante traitée,QFLSSupérieur à seulement passéNaFLes échantillons traités, qui sont attribués à la réduction de la recombinaison non radiative, même dansCDSCela s'est produit avant le dépôt. Même la couche absorbante exposée à l'air, dégradée en surface, après un traitement alcalin lourd, quiQFLSLa même tendance à la hausse est également présentée, montrant que le traitement alcalin améliore la qualité et la surface de la couche absorbante elle - même.Figure 3Ces tendances sont présentées.

Image tirée de:Influence du traitement post-dépôt du sodium et du rubidium sur la scission au niveau quasi-Fermi des films minces Cu(In,Ga)Se2 – Fig.3

AlgérieÉcole nationale supérieure des énergies renouvelablesdeHichem BencherifÉquipe de professeursÀ2025AnnéeÉnergie solaireDans l'étude3DIntroduction dans la pérovskite2DInfluence de la double couche de jonction et des différentes couches de transport de trous électriques[9]. Ils ont constaté que ces optimisations améliorentPLQYetQFLS, indique une diminution des pertes non radiatives.Figure 5etTableau 6Les effets de ces élévations sont démontrés.

Image tirée de:Atteindre la scission de niveau Quasi-Fermi près de sa limite radiative dans des cellules solaires de perovskite 2D/3D efficaces et stables: modèle d'équilibre détaillé - Fig.5a

Carteur QFLSL'équipement de détection permet une superposition rapideQFLSTest et prend en charge les changements de phase de temps in situPLAnalyse. Les chercheurs peuvent évaluer l'impact de chaque matériau sur la performance globale, couche par couche, identifier rapidement les goulots d'étranglement et optimiser les conditions de préparation et le choix des matériaux.

Approfondir la dynamique des porteurs et le contrôle des défauts

QFLSNon seulement lié à la performance du dispositif macroscopique, mais reflète plus en profondeur la concentration de porteurs microscopiques, la durée de vie et le niveau de dopage au brouillard. Plus élevéQFLS, peut signifier une activité de recombinaison inférieure ou peut indiquer une concentration de dopage plus élevée. Pour distinguer précisément ces deux effets, il fautQFLSCombinaison avec d'autres méthodes de mesure.

L'équipe du professeur du zuliang, Université du Henan, Chine2023AnnéeNature CommunicationsEn explorant comment augmenterQFLSPour réduire la production de chaleur des diodes électroluminescentes à points quantiques[10]. Ils ont constaté que, pour une densité d'électrons donnée, si le taux d'absorption du film est inchangé, il diminueQDLa densité d'accumulation peut augmenter les électronsQFLSCette étude, bien que visant àLEDMais son idée centrale– –Boostez en optimisant la gestion des porteursQFLSIl en va de même dans le domaine du photovoltaïque.

Image tirée de:Minimizer la génération de chaleur dans les diodes émetteuses de lumière à points quantiques en augmentant la scission au niveau quasi-Fermi – Fig1b

Carteur QFLSL'équipement de détection permet non seulement une acquisition rapideQFLSDonnées, dont la fonction multimodale permet également la combinaison avec d'autres techniques de mesure, telles que la résolution temporellePL(Séquence principale), ce qui permet une analyse plus complète des mécanismes physiques profonds tels que la durée de vie des porteurs, la concentration de dopage et la densité de défauts.

Conclusion

QFLSSa technologie de cartographie est devenue un outil de recherche photovoltaïque. Il fournit non seulement les moyens de quantifier la perte d'énergie, mais joue également un rôle directeur dans le criblage des matériaux, l'ingénierie des interfaces, l'optimisation des processus et la compréhension de la physique fondamentale. Du diagnostic macroscopique des performances du dispositif à la dynamique microscopique des porteurs et au contrôle des défauts,QFLSFournit une vision multidimensionnelle qui accélère le processus de développement d'une nouvelle génération de dispositifs photovoltaïques à haute efficacité énergétique. Maîtriser et bien utiliserQFLSL'analyse est une compétence essentielle pour tout professionnel engagé dans la recherche sur les matériaux et les dispositifs photovoltaïques.

Références

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