北京大學周歡萍團隊和張艷鋒團隊在鈣鈦礦太陽能電池的重要進展

 

　　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。