【儀表網 研發快訊】金屬鹵化物鈣鈦礦以其優越的光電性能和低廉的成本成為最有前景的新一代光伏材料。盡管鈣鈦礦太陽能電池發展迅速，但在同時實現高效率和足夠的穩定性方面仍然存在挑戰。鹵化物鈣鈦礦由于其軟晶格和相對較弱的鍵，在太陽能電池運行過程中容易降解，即使通過封裝來隔離水分和氧氣，鈣鈦礦在熱、光照和電場下的不穩定性仍然是商業化之前需要解決的關鍵問題。
針對上述問題，北京大學材料科學與工程學院周歡萍團隊和張艷鋒團隊合作，將晶圓級連續單層MoS2集成到鈣鈦礦層的上、下界面以形成穩定器件構型，從而顯著增強鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性。研究成果以“Wafer-scale monolayer MoS2 film integration for stable, efficient perovskite solar cells”為題，于2025年1月10日在線發表于《科學》(Science)期刊上。
圖1. 穩定的構型。(A、B)ITO/FAPbI3/Ag(A)和ITO/FAPbI3/MoS2/Ag(B)器件老化后Ag電極上I信號的ToF-SIMS映射。(C、D)不同構型的電池老化后的ToF-SIMS深度剖面圖。(E、F)−1.2V(E)和+1.2V(F)偏壓下ITO/FAPbI3/Au和ITO/MoS2/FAPbI3/MoS2/Au器件的時間分辨PL強度。(G—I)鈣鈦礦(G)、MoS2/鈣鈦礦(H)、MoS2/鈣鈦礦/MoS2(I)薄膜在85%相對濕度下老化時的XRD圖譜演變。(J)無MoS2鈍化和有MoS2鈍化的鈣鈦礦的相變能量曲線
研究表明，晶圓級MoS2插層由于連續二維形態，從物理上最大程度地阻擋了鈣鈦礦離子向載流子傳輸層的遷移。而且，MoS2通過與鈣鈦礦強配位相互作用在化學上穩定了α相FAPbI3。MoS2插層還通過與鈣鈦礦形成Pb-S鍵化學鈍化鈣鈦礦表面缺陷，并通過與鈣鈦礦I型能帶排列阻擋少子復合，從而顯著減少了載流子非輻射復合。此外，單層MoS2的原子級厚度克服了鈍化質量和串聯電阻之間的權衡，最大限度地提高了鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓(認證VOC=1.20V)和填充因子(認證FF=84.3%)。
圖2. 構型表征。(A—C)MoS2、鈣鈦礦、鈣鈦礦/MoS2薄膜的XPS(A、B)和拉曼光譜(C)。(D、E)鈣鈦礦、MoS2/鈣鈦礦、MoS2/鈣鈦礦/MoS2薄膜的PL光譜(D)和TRPL衰減曲線(E)。(F)鈣鈦礦和單層MoS2之間的能級排列
因此，基于MoS2/鈣鈦礦/MoS2結構的鈣鈦礦太陽能電池和組件分別實現了高達26.2%(認證穩態效率為25.9%)和22.8%的光電轉換效率。此外，電池表現出卓越的濕熱穩定性(在85℃和85%相對濕度下老化1200小時后保留初始效率的95%)、光照穩定性(在連續一個太陽照射下在開路狀態下老化2000小時后保留初始效率的96.6%)和運行穩定性(在室溫下連續一個太陽照射下在最大功率點跟蹤2000小時后效率基本沒有衰減，在85℃下連續一個太陽照射下在最大功率點跟蹤1200小時后保留初始效率的96%，這是迄今為止報道的最穩定的鈣鈦礦太陽能電池之一)。本研究通過界面工程搭建了二維材料和軟晶格光電材料的橋梁，為提高鈣鈦礦基光電器件的性能提供了實用框架，并可以擴展到其他相關領域高效穩定器件的構建。
圖3. 器件性能。(A)不同構型太陽能電池的PCE和VOC統計。(B)在中國計量科學研究院測試的最優電池的J-V曲線和穩定功率輸出(插圖)。(C)最優微型組件的J-V曲線和照片(插圖)。(D)封裝電池在85℃和85%相對濕度下的濕熱試驗。(E)氮氣中一個太陽照射下電池開路狀態下的光穩定性。(F)室溫氮氣中一個太陽照射下電池的最大功率點跟蹤。(G)85℃環境中AM1.5G照射下封裝電池的最大功率點跟蹤
周歡萍課題組博士后宰華超【現已出站，目前就職于中國地質大學(北京)】、張艷鋒課題組博士研究生楊鵬飛(現已畢業)、西安電子科技大學副教授蘇杰、周歡萍課題組博士研究生尹瑞陽為本文共同第一作者。周歡萍和張艷鋒為本文共同通訊作者。合作者還包括中國地質大學(北京)黃朝暉課題組、西安電子科技大學常晶晶課題組、北京理工大學陳棋課題組。該工作得到了國家自然科學基金、北京市自然科學基金、國家重點研發計劃、中央高校基本科研業務費、騰訊基金科學探索獎、中國石油天然氣集團公司-北京大學基礎研究戰略合作、中石化種子工程、云南省科技攻關等項目的聯合資助。
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