《科学》报道材料学院周欢萍团队和张艳锋团队在钙钛矿太阳能电池的重要进展

时间：2025年1月11日

来源：北京大学新闻网

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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，将晶圆级连续单层MoS2集成到钙钛矿层的上、下界面以形成稳定器件构型，从而显著增强钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。研究成果以“Wafer-scale monolayer MoS2 film integration for stable, efficient perovskite solar cells”为题，于...

金属卤化物钙钛矿以其优越的光电性能和低廉的成本成为最有前景的新一代光伏材料。尽管钙钛矿太阳能电池发展迅速，但在同时实现高效率和足够的稳定性方面仍然存在挑战。卤化物钙钛矿由于其软晶格和相对较弱的键，在太阳能电池运行过程中容易降解，即使通过封装来隔离水分和氧气，钙钛矿在热、光照和电场下的不稳定性仍然是商业化之前需要解决的关键问题。

针对上述问题，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，将晶圆级连续单层MoS₂集成到钙钛矿层的上、下界面以形成稳定器件构型，从而显著增强钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。研究成果以“Wafer-scale monolayer MoS₂ film integration for stable, efficient perovskite solar cells”为题，于2025年1月10日在线发表于《科学》（Science）期刊上。

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图1. 稳定的构型。（A、B）ITO/FAPbI₃/Ag（A）和ITO/FAPbI₃/MoS₂/Ag（B）器件老化后Ag电极上I信号的ToF-SIMS映射。（C、D）不同构型的电池老化后的ToF-SIMS深度剖面图。（E、F）−1.2V（E）和+1.2V（F）偏压下ITO/FAPbI₃/Au和ITO/MoS₂/FAPbI₃/MoS₂/Au器件的时间分辨PL强度。（G—I）钙钛矿（G）、MoS₂/钙钛矿（H）、MoS₂/钙钛矿/MoS₂（I）薄膜在85%相对湿度下老化时的XRD图谱演变。（J）无MoS₂钝化和有MoS₂钝化的钙钛矿的相变能量曲线

研究表明，晶圆级MoS₂插层由于连续二维形态，从物理上最大程度地阻挡了钙钛矿离子向载流子传输层的迁移。而且，MoS₂通过与钙钛矿强配位相互作用在化学上稳定了α相FAPbI₃。MoS₂插层还通过与钙钛矿形成Pb-S键化学钝化钙钛矿表面缺陷，并通过与钙钛矿I型能带排列阻挡少子复合，从而显著减少了载流子非辐射复合。此外，单层MoS₂的原子级厚度克服了钝化质量和串联电阻之间的权衡，最大限度地提高了钙钛矿太阳能电池的开路电压（认证V_OC=1.20V）和填充因子（认证FF=84.3%）。

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图2. 构型表征。（A—C）MoS₂、钙钛矿、钙钛矿/MoS₂薄膜的XPS（A、B）和拉曼光谱（C）。（D、E）钙钛矿、MoS₂/钙钛矿、MoS₂/钙钛矿/MoS₂薄膜的PL光谱（D）和TRPL衰减曲线（E）。（F）钙钛矿和单层MoS₂之间的能级排列

因此，基于MoS₂/钙钛矿/MoS₂结构的钙钛矿太阳能电池和组件分别实现了高达26.2%（认证稳态效率为25.9%）和22.8%的光电转换效率。此外，电池表现出卓越的湿热稳定性（在85℃和85%相对湿度下老化1200小时后保留初始效率的95%）、光照稳定性（在连续一个太阳照射下在开路状态下老化2000小时后保留初始效率的96.6%）和运行稳定性（在室温下连续一个太阳照射下在最大功率点跟踪2000小时后效率基本没有衰减，在85℃下连续一个太阳照射下在最大功率点跟踪1200小时后保留初始效率的96%，这是迄今为止报道的最稳定的钙钛矿太阳能电池之一）。本研究通过界面工程搭建了二维材料和软晶格光电材料的桥梁，为提高钙钛矿基光电器件的性能提供了实用框架，并可以扩展到其他相关领域高效稳定器件的构建。

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图3. 器件性能。（A）不同构型太阳能电池的PCE和V_OC统计。（B）在中国计量科学研究院测试的最优电池的J-V曲线和稳定功率输出（插图）。（C）最优微型组件的J-V曲线和照片（插图）。（D）封装电池在85℃和85%相对湿度下的湿热试验。（E）氮气中一个太阳照射下电池开路状态下的光稳定性。（F）室温氮气中一个太阳照射下电池的最大功率点跟踪。（G）85℃环境中AM1.5G照射下封装电池的最大功率点跟踪

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。该工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费、腾讯基金科学探索奖、中国石油天然气集团公司-北京大学基础研究战略合作、中石化种子工程、云南省科技攻关等项目的联合资助。