我国学者在高效稳定钙钛矿太阳能电池方面取得进展
2025/06/01
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图 （A）器件结构示意图；（B、C）不同构型的电池老化后的ToF-SIMS深度剖面图。（D）无MoS2钝化和有MoS2钝化的钙钛矿的相变能量曲线。（E）钙钛矿、MoS2/钙钛矿、MoS2/钙钛矿/MoS2薄膜的TRPL衰减曲线。（F）在中国计量科学研究院认证的最优钙钛矿太阳能电池性能；（G）最优钙钛矿微型组件性能；（H）钙钛矿太阳能电池的高温运行稳定性。
在国家自然科学基金项目（批准号：52125206、52302320）等资助下，北京大学周欢萍教授与合作者在高效稳定钙钛矿太阳能电池方面取得进展。相关研究成果以“晶圆级单层硫化钼集成实现高效稳定钙钛矿太阳能电池（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），论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado2351。
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，但同时实现高效和稳定仍是巨大挑战。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是其商业化应用亟需解决的关键问题。
周欢萍教授团队提出将晶圆级连续单层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载流子传输之间难以协同的挑战，最大限度地提高了钙钛矿太阳能电池的开路电压（认证VOC=1.20 V）和填充因子（认证FF=84.3%）。包含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%）。
本研究通过界面工程将二维材料与软晶格光电材料结合起来，为提高钙钛矿基光电器件的性能提供了有效策略，并可以扩展到传感器、探测器等其他相关领域支撑高效稳定器件的构建。
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