钙钛矿太阳能电池商业化的主要挑战之一是实现高功率转换效率(PCE)和足够的稳定性。
2025年1月9日，北京大学周欢萍、张艳锋共同通讯在
Science
在线发表题为“
Wafer-scale monolayer MoS
2
film integration for stable, efficient perovskite solar cells
”的研究论文，
该研
究开发了一种
用于稳定、高效钙钛矿太阳能电池的晶片级单层MoS2薄膜集成
。
研究人员
通过转移工艺在钙钛矿层的顶部和底部集成了晶片级连续单层MoS
2
缓冲层。这些膜在物理上阻止钙钛矿向载流子传输层的离子迁移，并通过强配位相互作用在化学上稳定碘化甲亚胺铅相。有效的化学钝化产生于Pb-S键的形成，少数载流子通过I型能带排列被阻挡。具有
MoS
2
/钙钛矿/
MoS
2
配置的平面p-I-n PSC(0.074平方厘米)和模块(9.6平方厘米)分别实现高达26.2%(经认证的稳态PCE为25.9%)和22.8%的PCE。此外，该器件表现出优异的湿热(85°C和85%相对湿度)稳定性，1200小时后PCE损耗< 5%,以及显著的高温(85°C)操作稳定性，1200小时后PCE损耗< 4%。
钙钛矿太阳能电池(PSC)已经获得了> 26%的功率转换效率(PCE)，但是卤化物钙钛矿由于其软晶格结构和相对弱的键而易于在太阳能电池操作期间降解。即使采用封装来隔离湿气和氧气，钙钛矿在热、光照射和电场应力下的不稳定性仍然是实现商业化之前需要克服的关键障碍。
特别地，热和光容易激活钙钛矿晶格中的离子缺陷，并且这些缺陷在电场下介导钙钛矿薄膜中严重的离子迁移。离子迁移将导致钙钛矿膜的实质性变化，随后是其他功能层的进一步降解，这将使PSCs在长期运行下的性能恶化。
因此，减少离子迁移对于提高钙钛矿光伏电池(PV)的长期稳定性至关重要。
大量的研究工作致力于抑制离子迁移。界面工程已经成为一种可行的策略，通过钝化可移动的带电缺陷和消除离子迁移的路径，以物理和/或化学方式抑制离子迁移。
卤化物盐、无机含氧酸盐、有机分子和聚合物是最常用的钝化剂，它们与钙钛矿形成共价键、离子键或其他次级相互作用。这种化学相互作用将有效地钝化带负电或带正电的缺陷，并显著减少阳离子和阴离子，特别是碘离子的迁移。
此外，诸如石墨烯衍生物和MXenes的各种连续阻挡层可以被引入到钙钛矿上界面或掩埋界面中，以阻挡朝向载流子传输层(CTL)的离子迁移路径。钝化剂通常仅在界面中局部起作用，并且由于差的电荷传导率或宽带隙，阻挡层也可能在某种程度上阻碍电荷载流子的传输。沉积在三维(3D)钙钛矿膜上的烷基卤化铵具有形成共形且连续的层的潜力，但是在光或热下可能遭受结构维度转变，这将导致界面重建和初始性质的损失。
单层二硫化钼薄膜的制备、表征和转移（图源自
Science
）
在这项工作中，研究人员在空穴传输层(HTL)/钙钛矿和钙钛矿/电子传输层(ETL)界面集成了晶片级单层MoS
2
中间层。
实验表征和理论计算表明，晶圆级
MoS
2
薄膜在物理上阻止了钙钛矿向CTL的迁移，并通过强配位作用在化学上稳定了α相FAPbI
3
。
MoS
2
夹层还通过Pb-S键提供有效的化学钝化，并通过I型能带排列提供少数载流子阻挡。单层
MoS
2
的原子厚度(< 1 nm)克服了钝化质量和串联电阻之间的权衡，并最大化了PSC的开路电压(认证
V
OC
= 1.20 V)和填充因子(认证FF = 84.3%)。
总之，
这些发现为异质结工程中的2D材料和软晶格光电材料搭建了桥梁，可以扩展到其他相关领域中高效稳定器件的构建。
参考消息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado2351
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