金屬鹵化物鈣鈦礦以其優(yōu)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(fā)展迅速，但在同時實(shí)現(xiàn)高效率和足夠的穩(wěn)定性方面仍然存在挑戰(zhàn)。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(yùn)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(wěn)定性仍然是商業(yè)化之前需要解決的關(guān)鍵問題。
針對上述問題，北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院周歡萍團(tuán)隊和張艷鋒團(tuán)隊合作，將晶圓級連續(xù)單層MoS2集成到鈣鈦礦層的上、下界面以形成穩(wěn)定器件構(gòu)型，從而顯著增強(qiáng)鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)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(fā)表于《科學(xué)》(Science)期刊上。
圖1. 穩(wěn)定的構(gòu)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(gòu)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(qiáng)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(xù)二維形態(tài)，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(qiáng)配位相互作用在化學(xué)上穩(wěn)定了α相FAPbI3。MoS2插層還通過與鈣鈦礦形成Pb-S鍵化學(xué)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(fù)合，從而顯著減少了載流子非輻射復(fù)合。此外，單層MoS2的原子級厚度克服了鈍化質(zhì)量和串聯(lián)電阻之間的權(quán)衡，最大限度地提高了鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓(認(rèn)證VOC=1.20V)和填充因子(認(rèn)證FF=84.3%)。
圖2. 構(gòu)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(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池和組件分別實(shí)現(xiàn)了高達(dá)26.2%(認(rèn)證穩(wěn)態(tài)效率為25.9%)和22.8%的光電轉(zhuǎn)換效率。此外，電池表現(xiàn)出卓越的濕熱穩(wěn)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(wěn)定性(在連續(xù)一個太陽照射下在開路狀態(tài)下老化2000小時后保留初始效率的96.6%)和運(yùn)行穩(wěn)定性(在室溫下連續(xù)一個太陽照射下在最大功率點(diǎn)跟蹤2000小時后效率基本沒有衰減，在85℃下連續(xù)一個太陽照射下在最大功率點(diǎn)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(wěn)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(shí)用框架，并可以擴(kuò)展到其他相關(guān)領(lǐng)域高效穩(wěn)定器件的構(gòu)建。
圖3. 器件性能。(A)不同構(gòu)型太陽能電池的PCE和VOC統(tǒng)計。(B)在中國計量科學(xué)研究院測試的最優(yōu)電池的J-V曲線和穩(wěn)定功率輸出(插圖)。(C)最優(yōu)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?dú)庵幸粋€太陽照射下電池開路狀態(tài)下的光穩(wěn)定性。(F)室溫氮?dú)庵幸粋€太陽照射下電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。(G)85℃環(huán)境中AM1.5G照射下封裝電池的最大功率點(diǎn)跟蹤
周歡萍課題組博士后宰華超【現(xiàn)已出站，目前就職于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)】、張艷鋒課題組博士研究生楊鵬飛(現(xiàn)已畢業(yè))、西安電子科技大學(xué)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(zhì)大學(xué)(北京)黃朝暉課題組、西安電子科技大學(xué)常晶晶課題組、北京理工大學(xué)陳棋課題組。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、騰訊基金科學(xué)探索獎、中國石油
天然氣集團(tuán)公司-北京大學(xué)基礎(chǔ)研究戰(zhàn)略合作、中石化種子工程、云南省科技攻關(guān)等項目的聯(lián)合資助。
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