文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado2351
北京大学材料科学与工程学院周欢萍团队和张艳锋团队合作，报道了稳定高效的钙钛矿太阳能电池的晶圆级单层MoS2薄膜集成。相关研究成果以“Wafer-scale monolayer MoS2 film integration for stable, efficient perovskite solar cells”为题，发表在2025年1月10日出版的《Science》。周欢萍课题组博士后宰华超【现已出站，目前就职于中国地质大学（北京）】、张艳锋课题组博士研究生杨鹏飞（现已毕业）、西安电子科技大学副教授苏杰、周欢萍课题组博士研究生尹瑞阳为本文共同第一作者。周欢萍和张艳锋为本文共同通讯作者。合作者还包括中国地质大学（北京）黄朝晖课题组、西安电子科技大学常晶晶课题组、北京理工大学陈棋课题组。
编辑总结
一层钼二硫化物（MoS₂）可以阻止缺陷离子向钙钛矿太阳能电池（PSC）电荷传输层的迁移。Zai等人在玻璃上生长出晶圆级MoS₂薄膜，并在倒置太阳能电池组装过程中机械转移这些薄膜，成功封装了甲脒碘化铅。这些薄膜阻止了离子迁移和少数载流子的流动。小面积PSC和大面积模块分别达到了26%和20%的光电转换效率（PCE）。PSC还表现出极高的稳定性，包括在85°C运行1200小时后PCE仅下降4%。
摘要
商业化钙钛矿太阳能电池（PSC）的关键挑战之一是同时实现高能量转换效率（PCE）和足够的稳定性。我们通过转移工艺，在钙钛矿层的上下表面集成了晶圆级连续单层MoS₂缓冲层。这些薄膜通过强配位相互作用，物理阻止了钙钛矿离子向载流子传输层的迁移，并化学稳定了甲脒碘化铅相。通过形成Pb-S键实现了有效的化学钝化，并通过I型带隙对准阻挡了少数载流子流动。具有MoS₂/钙钛矿/MoS₂结构的平面型p-i-n太阳能电池（0.074平方厘米）和模块（9.6平方厘米）分别实现了26.2%（经认证的稳态PCE为25.9%）和22.8%的效率。此外，这些器件在潮热条件下（85°C，85%相对湿度）表现出优异的稳定性，1200小时后PCE损失小于5%；在高温运行条件下（85°C），PCE损失小于4%。
研究背景和主要内容
钙钛矿太阳能电池 (PSC) 的能量转换效率 (PCE) 已达到 26%，但由于卤化物钙钛矿的晶格结构较软且键相对较弱，在太阳能电池使用过程中容易发生降解。即使采用封装隔离水分和氧气，钙钛矿在热、光照射和电场等压力下的不稳定性仍然是实现商业化前需要克服的关键障碍。具体而言，热和光很容易激活钙钛矿晶格内的离子缺陷，这些缺陷在电场下会导致钙钛矿薄膜中发生严重的离子迁移。离子迁移会导致钙钛矿薄膜发生重大变化，进而导致其他功能层进一步降解，从而降低 PSC 在长期工作下的性能。因此，减少离子迁移对于提高钙钛矿光伏 (PV) 的长期稳定性至关重要。
大量研究工作致力于抑制离子迁移。界面工程已成为一种可行的策略，通过钝化移动带电缺陷并消除离子迁移路径来物理和/或化学抑制离子迁移。卤化物盐、无机含氧盐、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、离子键或其他二次相互作用。这种化学相互作用将有效钝化带负电或正电的缺陷，并显著减少阳离子和阴离子，特别是碘离子的迁移。此外，各种连续阻挡层，如石墨烯衍生物和MXenes ，可以引入钙钛矿上界面或埋界面，以阻挡离子向载流子传输层（CTL）的迁移路径。钝化剂通常仅在界面局部起作用，并且由于电荷传导性差或带隙较大，阻挡层也可能在一定程度上阻碍电荷载流子的传输 。沉积在三维（ 3D ）钙钛矿薄膜上的烷基铵卤化物有可能形成保形的连续层，但在光或热的作用下可能会发生结构维度转变，从而导致界面重构和初始性能的丧失。
一个稳定的界面可以充分阻挡离子迁移，但又不会妨碍载流子传输，从而解决这些问题。理想情况下，钙钛矿表面的致密超薄缓冲层。金属氧化物和金属氟化物等无机物质的沉积可以形成致密超薄层。然而，所需的物理气相沉积方法会损坏钙钛矿或无法实现化学钝化。或者，单层无机二维材料是更有希望的中间层候选者，因为它们 (i) 悬垂自由表面通过键合实现与钙钛矿的稳定异质结；(ii) 原子厚度，可最大限度地减少载流子传输损失；(iii) 连续的二维形貌，可最大限度地阻挡离子迁移。特别是，半导体过渡金属二硫属化合物 (TMDC) 具有高载流子迁移率、合适的能带结构和光学透明性。TMDC 薄层薄片或纳米片已用作 PSC 中的 CTL 或界面层。然而，非破坏性地制造连续且致密的单层缓冲层以最终固定离子并最小化离子迁移通道仍然具有挑战性。
在这项工作中，我们在空穴传输层 (HTL)/钙钛矿和钙钛矿/电子传输层 (ETL) 界面处集成了晶圆级单层 MoS2中间层。实验表征和理论计算表明，晶圆级 MoS2
薄膜在物理上阻止了钙钛矿向 CTL 的离子迁移，并通过强配位相互作用在化学上稳定了 α 相 FAPbI3。MoS2中间层还通过 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 MoS2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%）。
结果，我们在倒置 PSC 中实现了 25.9% 的认证稳态 PCE，在倒置钙钛矿微型模块（9.6 cm2）中实现了高达 22.8% 的 PCE。此外，所得 PSC 表现出优异的湿热稳定性和操作稳定性。值得注意的是，具有 MoS2 /FAPbI3 /MoS2配置的倒置 PSC 在湿热测试条件 [85°C 和 85% 相对湿度 (RH)] 下经过 1200 小时后仍保留了其初始 PCE 的 95% 以上，并且在室温 (RT) 下连续 1 个太阳光照下进行 2000 小时的最大功率点 (MPP) 跟踪后，效率下降可忽略不计。目标设备表现出显着的高温操作稳定性，在 85°C 下进行 1200 小时的 MPP 跟踪后仍保持其初始 PCE 的 96% 以上。我们的研究通过界面工程将卤化物钙钛矿与二维材料联系起来，不仅扩展了二维材料的应用，而且为提高钙钛矿基光电器件的性能提供了实用的框架。
图1.单层 MoS2薄膜的制备、表征及转移。( A )钠钙玻璃上生长的 MoS2薄膜的照片。( B ) MoS2薄膜的拉曼和 ( C ) PL 光谱。( D ) MoS2薄膜转移过程示意图。( E ) 和 ( F ) 在 H 型隔膜电解槽中进行扩散实验，其中隔膜为半透膜，不含 (E) 含 MoS2 (F)。在电解槽左侧加入 KI 水溶液，5 分钟后在电解槽右侧加入AgNO3水溶液。( G ) 和 ( H )转移到 PTAA (G) 和钙钛矿 (H) 表面的MoS2薄膜的照片。
图 2.配置稳定化。( A ) 和 ( B ) ITO/FAPbI3 /Ag (A) 和 ITO/FAPbI3 /MoS2 /Ag (B) 器件的 Ag 电极上 I 信号的 ToF-SIMS 映射。这些器件在 N2手套箱中以 85°C 的温度老化 12 小时。( C ) 和 ( D ) 老化对照 (C) 和目标 (D) 器件的 ToF-SIMS 深度分布。这些器件在 N2手套箱中以稳定的功率输出跟踪在 1 个太阳照射下老化 200 小时。( E ) 和 ( F ) 在 −1.2 V (E) 和 +1.2 V (F) 偏压下 ITO/FAPbI3 /Au 或 ITO/MoS2 /FAPbI3 /MoS2 /Au 器件的时间分辨 PL 强度。( G到I )在 85% RH 下老化的钙钛矿 (G)、MoS2 /钙钛矿 (H) 和 MoS2 /钙钛矿/MoS2 (I) 薄膜的 XRD 图案的演变。( J ) 有和没有 MoS2钝化的钙钛矿 [(001) FAI 封端的 FAPbI3表面，具有 V I、 I i和 V
