光ルミネセンス量子収率（Photoluminescence Quantum Yield，PLQY）はペロブスカイト太陽電池（Perovskite Solar Cells，PSCs）の特性化であるキャリア複合動力学とひほうしゃそんしつのコア指標、直接関連電池の開放電圧（Voc）、充填因子（FF）及び光電変換効率（PCE）。

従来のシリコン系電池とは異なり、ペロブスカイト材料（例えばメチルアミジン鉛ヨウ素FAPbI₃、メチルアミジンセシウム鉛ヨウ素FACsPbI₃等）の欠陥状態密度、表面／界面複合速度はPLQYに極めて敏感であるため、PLQY分析技術はすでにPSCs研究開発における材料品質とデバイス性能を「診断」する重要なツールとなっている。

本文は基本概念、測定原理、重要な影響要素、技術詳細及び応用シーンから深さ解析を展開する。

一、PLQYのコア定義とPSCsにおける意義

1.PLQYの本質

PLQYとは、材料が特定の波長励起下で、放出された光ルミネセンス光子数（ネミッテッド）と吸収された励起光子数（ネミッテッド）の比率、式は次のとおりです。

PLQYの値取り範囲は0 ~ 1（または0%~ 100%）：

·高 PLQY（>80%）：キャリアは放射再結合を主とし、非放射損失（例えば欠陥状態捕捉、界面再結合、Auger再結合）が極めて弱く、材料/デバイスの品質が優れていることを表明した、

·低PLQY（50%未満）：非放射再結合が主導的であり、通常は薄膜欠陥が多く、界面エネルギー準位が不整合またはキャリア輸送が阻害されていることに対応し、製造プロセスまたは不動態化戦略を最適化する必要がある。

2.PSCs性能に対するPLQYのコア影響

PSCsの光電変換過程は「光吸収→キャリア生成→キャリア輸送→キャリア収集」と概括でき、PLQYは直接反映するキャリア発生後から収集前までの損失の程度：

·ANDオープン電圧（Voc）との関連：非放射再結合はVoc理論限界（Shockley-Queisser限界）からの逸脱の主な原因。「非放射電圧損失（ΔVₙᵣ）」式を作成し、PLQYを1桁上げるごとに、ΔVₙᵣ〜60 mV（例えばPLQYを1%から100%に引き上げ、ΔVₙᵣ200 mVから50 mV未満に下げることができます。

·効率（PCE）との関連：高PLQYは、より多くのキャリアが電極に収集され、「無効な再結合」を減少させ、短絡電流（Jₛc）とFF、PCEの26%突破（現在の実験室＊高効率）を推進する。

二、PLQYの測定原理：絶対法vs相対法

PLQYの測定は正確に「吸収光子数」と「放出光子数」を定量化する必要があり、コアはぜったいほうとそうたいほう両者は原理、装置の複雑さと正確性の違いが顕著であり、その中で絶対法は標準サンプルが必要なく、ペロブスカイトの特性に適応するため主流となっている。

1.絶対法（積分球法）：PSCs測定の第一選択

ぜったいほうが通るインテグラルボール（Integrating Sphere）試料から放出されたすべての光子（散乱光を含む）を捕獲し、PLQYを直接計算し、現在のペロブスカイト薄膜/デバイスPLQY測定の金基準である。

（1）測定原理

積分球は、ポリテトラフルオロエチレンPTFEのような高反射率材料（反射率>99%）を内壁に被覆した中空球であり、そのコア機能は「指向性発光PL光」を「均一拡散光」に変換し、検出器がすべての発光光子を捕捉できることを確保することである。測定は3ステップで行う：

1. 背景補正（Blank Scan）：試料がない場合、励起光のみを投入し、積分球内の励起光のベースライン信号を記録する（環境光、検出器暗電流の干渉を除去する）、

2. 励起光基準（Reference Scan）：「吸収されていない空白の基板（石英シートなど）」を積分球に入れ、励起光が基板を反射・散乱した後の信号を記録する（Pと表記する）₀）、「試料に吸収されていない励起光光子数」を表し、

3. サンプルテスト（Sample Scan）：ペロブスカイト試料（薄膜/デバイス）を積分球に入れ、2つの部分の信号を記録する：

o試料に吸収されていない励起光信号（Pₛ）；

oサンプルから放出されたPL光信号（Pₚₗ）。

PLQYは次の式で計算されます。

ここで、P_pl,空白は、背景補正に記録されたPLベースライン信号である（通常は無視できる）。

（2）装置構成

アブソPLQY試験システムのコアコンポーネントはペロブスカイト特性に適合する必要がある：

·励起光源：単色性がよく、電力が安定しているレーザ（例えば488 nm、532 nm半導体レーザ）を優先的に選択し、励起波長とペロブスカイト吸収バンドエッジの重複を避ける（キャリア励起が不十分であることを防止する）、

·せきぶんきゅう：直径は通常10 ~ 20 cm（1×1 cmペロブスカイト薄膜の配合に適している）であり、内壁PTFEコーティングは均一である必要がある（局所反射率の差による誤差を避ける）、

·探知機：高感度光電子増倍管（PMT）または分光計（CCDアレイ分光計など）を採用し、ペロブスカイトのPL発光帯域（FAPbIなど）をカバーする必要がある₃のPLピークは850 ~ 880 nm）、

·温度制御/雰囲気制御モジュール：ペロブスカイトは水酸素、温度に敏感で、不活性雰囲気（N₂/ar）試験中のサンプルの分解を回避するために、チャンバーと温度変化テーブル（-196℃~ 300℃）。

2.相対法：迅速スクリーニングの補助手段

相対法による比較不明なサンプルと既知のPLQYの標準サンプルのPL強度を測定し、間接的にサンプルPLQYを計算し、大量のサンプル（例えばプロセス最適化における予備スクリーニング）を迅速にスクリーニングするのに適している。

（1）測定原理

標準サンプルのPLQYをPLQY の_std、そのPL積分強度は私は_std;未知のペロブスカイト試料のPL積分強度は私は_サム、両者の吸収係数、励起光パワー密度、検出器応答度が一致している場合：

（2）局限性

·標準試料の精度に依存する（ローダミン6 G、量子ドットなどペロブスカイトPLバンドに適合する標準品を選択する必要があるが、適合性が悪い）、

·ペロブスカイト薄膜の光散乱は強く（表面粗さが高い）、PL強度測定誤差が大きい、

·吸収係数の違いなどの非放射再結合以外の要因がPL強度に与える影響を排除することはできず、精度は絶対法よりはるかに低い。

三、ペロブスカイトPLQY測定の重要な影響要素

ペロブスカイト材料のふあんていせいとキャリア動力学（例えば長キャリア寿命、高欠陥感受性）PLQY測定が干渉を受けやすいため、以下の重要パラメータを正確に制御する必要がある：

1.サンプル特性：製造端から誤差を制御する

·フィルム均一性：ペロブスカイト薄膜にピンホール、凝集或いは成分の不均一が存在すると、局所吸収/発光の差異を招き、PLQY測定結果の代表的な低下を招く。スピンコーティング/スパチュラコーティング技術の最適化（例えば反溶媒工程、アニール温度制御）によりフィルムの均一性（粗さ<5 nm）を確保する必要がある、

·表面/界面不動態化：不動態化されていないペロブスカイト表面にPb²が大量に存在する⁺欠陥と空孔、非放射再結合が強く、PLQYが低い（通常<30%）、一方、PEAI、CsPbBr₃量子ドットなどが不動態化されると、PLQYは90%以上に向上することができる。テスト前にサンプルが不動態化処理されているかどうかを明確にし、誤審を避ける必要がある、

·サンプルパッキング：カプセル化されていないペロブスカイトは空気中に暴露すると急速に分解する（水酸素によるPbI₂析出）し、PLQYは10分以内に50%以上低下することができる。サンプルを仮包装（カバーガラス+紫外線ゴムなど）するか、不活性雰囲気中で試験する必要がある。

2.試験環境：ペロブスカイト分解の抑制

·雰囲気制御：低酸素水環境（H₂0.1 ppm、O₂＜0.1 ppm）で試験し、よく使われる窒素手袋箱集積PLQYシステム、

·おんどせいぎょ：ペロブスカイトPLQYに対する温度の影響が顕著である：低温（例えば77 K、液体窒素温度）での非放射再結合が抑制され、PLQYが顕著に上昇（例えば室温の60%から低温の95%に上昇）した、高温（例えば85℃、デバイス動作温度）でPLQYが低下し、熱安定性を反映する。試験中に温度条件を明確にする必要がある（通常は「室温25℃」または「動作温度85℃」と表記する）、

·励起光損傷：高出力励起光（>100 mW/cm²）はペロブスカイト光分解（例えばイオン移動、格子歪み）を招き、PLQYは試験時間とともに低下する。「電力依存性試験」を通じて線形応答区間（通常0.1 ~ 10 mW/cm²）を確定し、励起光がサンプルを損傷しないことを確保する必要がある。

3.励起条件：ペロブスカイト吸収特性との整合

·励起波長：ペロブスカイトの強吸収帯域の波長（例えばメチルアミジン鉛ヨードペロブスカイトの吸収辺は850 nmで、488 nm或いは532 nmで光を励起することができる）を選択し、励起波長が吸収辺に近すぎる（吸収効率が低く、信号が弱い）或いは短すぎる（試料の局所過熱を招く）ことを避ける必要がある、

·励起スポットサイズ：励起スポットはサンプルの均一な領域（直径＞1 mm）を覆い、ピンホールや欠陥に焦点を合わせないようにし、PLQYが低くなることを避ける必要がある。光学顕微鏡でスポット位置を観察し、試験領域の代表性を確保することができる。

四、PLQY分析のステップアップ技術：「静的」から「動的＋多次元」まで

従来の定常PLQYは「平均複合特性」しか提供できないが、ペロブスカイトのキャリア複合はダイナミックプロシージャ（例えばキャリア寿命、界面抽出速度）は、ステップアップ技術と結合して深さ分析を実現する必要がある。

1.時間分解PLQY（TR−PLQY）：関連キャリア寿命

時間分解PLQY結合時間分解光ルミネセンス分光法（TR−PL）、定常状態PLQYを測定するだけでなく、キャリア寿命（τ）を得て、複合動力学機構を分析することができる。

·原理：パルスレーザ（パルス幅＜1 ns）により試料を励起し、PL強度の時間依存減衰曲線を記録し、フィッティングしてキャリア寿命（τ＝1／（kᵣ+ kₙᵣ)）；結合定常PLQY（＝kᵣ/(k)ᵣ+ kₙᵣ）、それぞれ算出可能放射再結合速度（kᵣ）と非放射再結合速度（kₙᵣ）、非放射損失の源（例えば体欠陥、表面欠陥）を明確にする、

·アプリ：「体相複合」と「界面複合」を区別する——不動態化後kₙᵣ著しく低下してkᵣ基本的に変わらず、非放射損失は主に表面欠陥から来ており、不動態化が有効であることを説明する。若kₙᵣ明らかな変化はなく、損失はバルク相欠陥から来ており、結晶化プロセスを最適化する必要があることを示している。

2.温度変化PLQY：熱安定性と相変化の影響を評価する

ペロブスカイトは温度変化時に相転移（例えばFAPbI₃150℃以下ではα相（立方相、高PLQY）からδ相（直交相、低PLQY）に転換しやすく、温度変化PLQYはPLQYに対する温度の影響を定量化することができる：

·テスト範囲：通常-196℃（液体窒素温度）から300℃（高温老化温度）、

·重要な情報：

o低温域（<100℃）：PLQYは温度上昇に伴い徐々に低下し、非放射複合に対応して熱活性化に伴い増強する、

o高温域（>150℃）：PLQYが急降下（例えば80%から10%に降下）すると、相転移または熱分解が発生することを示し、成分を最適化する必要がある（例えばCsを組み込む⁺相転移を抑制する）。

3.空間分解PLQY（顕微PLQY）：位置決め欠陥濃縮領域

ペロブスカイト薄膜の欠陥（ピンホール、粒界、イオン凝集など）は、くうかんいしつせい、従来の積分球PLQYは「平均レベル」を反映しているが、空間分解PLQY（共焦点顕微鏡に基づく）はμm級の空間分解能を実現し、欠陥領域を位置決めすることができる：

·装置：共焦点顕微鏡+微小積分球+高感度検出器、スポット径を1μmに縮小でき、

·アプリ：PLQYの空間分布を観察する——ある領域PLQYが周囲（例えば<30%vs 80%）より著しく低い場合、当該領域に欠陥富化（例えばPbI₂析出）、反溶媒またはアニールプロセスを最適化する必要がある。

4.insitu PLQY：リアルタイムモニタリング製造/老化プロセス

その場PLQYはPLQY試験とペロブスカイトの製造プロセス（スピンコーティング、アニールなど）またはエージングプロセス結合し、PLQYの変化をリアルタイムに捕捉し、動的メカニズムを明らかにする：

·その場調製モニタリング：スピンコーティング中にPLQYをリアルタイムで測定し、反溶媒滴下時間PLQYのジャンプ（結晶品質の向上を反映）を観察し、反溶媒滴下時間を最適化する、

·その場老化モニタリング：水酸素老化過程において、PLQYが時間とともに線形に低下する場合、老化は緩慢分解過程であることを説明する；急降下すると、パッケージが無効になるなどの「変曲点」が存在し、パッケージプロセスの最適化を指示します。

五、PLQY分析のPSCs研究開発における典型的な応用

PLQY分析はPSCsの「材料合成」から「デバイス最適化」までの全プロセスを貫いており、以下はコア応用シーンである：

1.製造プロセス最適化：「**プロセスウィンドウ」を見つける

·アニール温度最適化：ペロブスカイト薄膜の結晶性はアニーリング温度の上昇に伴って上昇し、PLQYは先に上昇した後に低下し（例えば、メチルアミジン鉛ヨウ化ペロブスカイトは150℃アニーリング時にPLQY*が高く、200℃時に分解によってPLQYが低下した）、PLQYによって急速に**アニーリング温度を確定することができる、

·アンチソルベント最適化：異なる反溶媒（例えばクロロベンゼン、トルエン、ディエチルエーテル）が結晶化速度に与える影響が異なり、Diethyl ether反溶媒は大結晶粒薄膜を製造することができ、PLQYはクロロベンゼンより20%~ 30%高く、PLQYは反溶媒スクリーニングの重要な指標とすることができる。

2.欠陥不動態化効果評価：不動態化剤の性能を定量化する

欠陥不動態化はPSCs効率を高める核心戦略であり、PLQYは不動態化効果を評価する「金基準」である：

·ひょうめんふどうたいか：PEAI不動態化後、ペロブスカイト表面Pb²⁺欠陥が中和され、PLQYは50%から90%以上に上昇し、不動態化が有効であることを説明した、

·たいそうふどうたいか：グアニジン塩（例えばGuaI）をペロブスカイト前駆体に組み込むと、体相空孔欠陥を抑制でき、PLQYは15%~ 25%上昇し、同時にキャリア寿命は1μs以上に延長される。

3.界面工程の最適化：エネルギーレベルの整合と抽出損失の減少

PSCsの界面（例えばペロブスカイト/電子輸送層TiOガリウム、ペロブスカイト/正孔輸送層Spiro-OMeTAD）はキャリア抽出の重要な領域であり、界面エネルギー準位の不整合はキャリア堆積、非放射再結合の増加、PLQYの低下を招く：

·例えばTiO₂電子輸送層は表面修飾されていない（例えばAl₂O型₃被覆）、ペロブスカイト/TiO₂界面にはエネルギーレベルの不調があり、PLQYは低い。Al経由₂O型₃被覆後、界面エネルギー準位整合度が向上し、PLQYが30%上昇し、同時にVOC50 mV上昇、

·正孔輸送層Spiro−OMeTADの酸化度は導電性に影響し、酸化不足はキャリア抽出が遅く、PLQYが低下する、PLQYにより**酸化時間（例えば空気酸化12時間、PLQY*高）を決定することができる。

4.安定性評価：デバイス寿命の予測

PLQYの減衰速度はPSCsの寿命に正の相関がある：

·光照射老化試験において、PLQYが1000時間以内に80%以上保持すると、デバイスの光照射安定性が優れていることを示し、PLQYが100時間以内に50%以下に低下する場合は、紫外線吸収剤の添加などの光分解防止戦略を最適化する必要がある。

·熱エージング試験において、PLQYの熱安定性は動作温度におけるデバイスの寿命を予測することができる（例えば、85℃で500時間熱エージングし、PLQYは70%以上保持し、デバイスの寿命は1000時間を超える可能性がある）。

六、現存する挑戦と未来の発展傾向

PLQY分析技術は広く応用されているが、ペロブスカイトの特殊性に対して、以下の課題が存在し、同時に技術のより高精度、より全面的な次元への発展を推進している：

1.既存の課題

·大面積アセンブリPLQYの測定困難：現在の積分球は小面積サンプル（<2×2 cm）にしか適合していないが、大面積ペロブスカイトアセンブリ（例えば10×10 cm）のPLQY測定は「面光源励起＋大面積検出器」システムを開発し、エッジ効果による誤差を回避する必要がある、

·光散乱補正の課題：ペロブスカイト薄膜の光散乱強度（反射率＞20%）は、積分球内の光分布の不均一を招き、PLQY測定誤差（通常±5%）は、モンテカルロシミュレーションに基づく散乱補正アルゴリズムを開発する必要がある、

·動的分解のリアルタイムスナップ：ペロブスカイトの光分解・熱分解はミリ秒級から時間級の動的過程であり、伝統的なPLQY試験速度は遅く（一回の試験＞1分）、高速分解過程を捕捉することが難しく、高速PLQY試験システム（試験時間＜1秒）を開発する必要がある。

2.将来の発展傾向

·マルチパラメータ結合解析：PLQYとその他の特徴付け技術（例えば、その場XRD、XPS、KPFM）を結合し、同時にPLQY、結晶構造、表面化学状態、表面電位を獲得し、非放射損失の根源を全面的に明らかにする、

·標準化測定フロー：現在異なる実験室のPLQY測定結果の差異が比較的に大きい（同一サンプルのPLQY差分値は10%~ 20%に達することができる）、「ペロブスカイトPLQY測定基準」（例えばサンプル調製基準、励起電力基準、補正方法基準）を確立し、データの比較性を推進する必要がある、

·インサイチュオンラインモニタリング産業化応用：ペロブスカイトコンポーネント量産ラインにその場PLQYモニタリングモジュールを集積し、リアルタイムで不合格コンポーネント（例えばPLQYが70%未満のコンポーネント）を選別し、量産良率を高める。

まとめ

光ルミネセンス量子収率（PLQY）分析技術はペロブスカイト太陽電池が開発した「目」である--材料欠陥診断からデバイス性能最適化まで、静的特性特性特性特徴から動的過程モニタリングまで、PLQYは常にコアを貫いている。技術が「時間分解、空間分解、その場オンライン」の方向に発展するにつれて、PLQYはPSCs効率の27%突破を推進するだけでなく、産業化における品質制御に重要な支持を提供し、ペロブスカイト太陽電池の実験室から市場への進出を加速する。