特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。有機-無機雜化鈣鈦礦因其優異的光吸收系數、較長的載流子擴散長度、較低的激子結合能和較高的載流子遷移率，在光伏應用領域受到了研究界的廣泛關注。這些獨特的特性使得鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 在過去十年中實現了超過 25% 的認證功率轉換效率 (PCE)，超過了各種新興薄膜太陽能電池的性能。盡管如此，PSC 的性能仍可通過各種添加劑和層間策略得到改進，以達到 Shockley-Queisser 極限。目前，大多數最先進的器件都使用介觀TiO2作為電子傳輸層 (ETL)。PSC中的介孔結構ETL與鈣鈦礦層的表面接觸增加，從而能夠有效分離和提取電荷，并實現高效率器件。然而，鈣鈦礦太陽能電池中ETL的應用主要存在以下問題：PSC中最廣泛使用的ETL材料TiO2需要高溫燒結工藝（通常超過 500°C）才能獲得導電的銳鈦礦相，這限制了其適用性，尤其是對于柔性器件。此外，TiO2在入射光下會發生光催化反應，從而限制了操作穩定性。 2、SnO2等替代材料仍存在結晶性差、電子擴散長度短等關鍵問題 基于膠體SnO2納米粒子的平面結構電荷傳輸層由于其適當的能帶排列、良好的電子遷移率和低溫可加工性，在 PSC 中顯示出巨大的應用潛力。但關鍵的挑戰性問題仍有待解決，例如固有的結晶性差和表面缺陷引起的短電子擴散長度。有鑒于此，韓國首爾高麗大學Hyesung Park等人提出介孔MoS2作為一種高效穩定的ETL材料。MoS2中間層增加了與相鄰鈣鈦礦層的表面接觸面積，改善了兩層之間的電荷轉移動力學。此外，與TiO2相比，MoS2與鈣鈦礦晶格之間的匹配有利于具有低殘余應變的鈣鈦礦晶體的優先生長。使用介孔結構 MoS2作為 ETL，獲得了效率為 25.7% (0.08cm2，認證為 25.4%) 和 22.4% (1.00cm2 )的PSC。在連續照明下，所獲得的電池可保持穩定超過 2,000 小時，表明相對于TiO2具有更好的光穩定性。作者采用硬模板法合成了花狀介孔MoS2，具有較大的比表面積，成功提高了與鈣鈦礦層的接觸面積，有利于電荷分離和提取，有望在光電領域應用。作者通過研究表明，MoS2中間層能增大鈣鈦礦晶粒尺寸，減少晶界，其表面疏水性改變鈣鈦礦生長機制，降低殘余應變，提升結晶度，從而提高光電性能。作者證實了介孔MoS2作為ETL顯著提升PSC光伏性能，增加鈣鈦礦晶粒尺寸，減少晶界，提高PCE至25.7%，降低滯后行為，改善電荷分離和提取。作者證實了MoS2作為ETL在光照和濕熱條件下表現出更好的穩定性，基于MoS2的PSC在連續光照2000小時后仍保持了90%以上的初始效率，而基于TiO2的器件效率下降至60%。1、使用介孔MoS2作為PSC的ETL材料顯著提高了界面電荷提取效率本工作提出的介孔MoS2中間層的設計增加了與鈣鈦礦覆蓋層的表面接觸面積，從而提高了鈣鈦礦層和ETL之間界面處的電荷提取效率。此外，MoS2層作為理想的模板，促進了鈣鈦礦的范德華外延生長，進一步提升了電池的性能。由于使用MoS2作為ETL材料，所得PSC在連續光照2,000小時后仍能保持90%以上的初始PCE，顯示出比傳統ETL材料TiO2更強的光穩定性，這對于太陽能電池的商業化和實際應用是非常重要的。 作者采用硬模板法成功合成了介孔MoS2，使用鉬酸銨和L-半胱氨酸作為前驅物，借助二氧化硅納米球（NSs）作為模板，通過水熱反應在NSs表面形成MoS2，再經蝕刻得到最終產品。HAADF-STEM圖像顯示，合成的MoS2呈現花狀結構，覆蓋大量球形空隙，確認了介孔結構的成功合成。介孔MoS2的比表面積達到411.01m2 g-1，比介孔TiO2高出約40%，有助于增強與鈣鈦礦層的接觸，促進電荷分離和提取。拉曼光譜、PL光譜和XPS分析證實了MoS2的化學計量合成，其中PL光譜顯示帶隙為1.87eV，與2H相MoS2一致。這些特性使得介孔MoS2在光電領域具有潛在的應用價值。 在研究中，MoS2對鈣鈦礦吸收層生長的影響顯著。通過不同中間層上鈣鈦礦層的表面形貌分析，發現MoS2層上的鈣鈦礦晶粒尺寸增大，晶粒邊界減少，表明MoS2的多孔表面促進了鈣鈦礦晶粒的生長。AFM和接觸角測量顯示，MoS2表面較TiO2更疏水，影響了鈣鈦礦晶體的生長機制。GIXRD測量揭示了鈣鈦礦薄膜中晶格應變的分布，基于MoS2的鈣鈦礦薄膜殘余應變顯著小于TiO2基樣品，表明MoS2有效釋放了殘余應變。HR-TEM分析進一步證實了MoS2與鈣鈦礦晶格的良好匹配，促進了鈣鈦礦的范德華外延生長，改善了結晶性。這些發現表明，MoS2中間層通過調整鈣鈦礦的晶體特性，顯著提升了光電性能。 作者通過采用介孔MoS2作為ETL，與傳統的TiO2相比，顯著提升了PSC的光伏性能。基于MoS2的PSC在各項光伏參數上均優于基于TiO2的參考器件，其光電轉換效率（PCE）達到了25.7%（認證效率為25.4%），短路電流密度（Jsc）為26.1mA cm-2，開路電壓（Voc）為1.16 V，填充因子（FF）為84.8%。與TiO2相比，MoS2基PSC減輕了滯后行為，并改善了所有三個關鍵參數，尤其是Voc和FF。這些提升歸因于MoS2誘導的鈣鈦礦晶體特征改善和殘余應變的松弛，減少了缺陷引起的電荷復合，改善了電荷分離和提取。此外，基于MoS2的PSC在大面積器件制造中也展現了良好的性能保持，進一步證實了介孔MoS2在光伏領域的應用潛力。 金屬氧化物如TiO2因化學穩定性被廣泛用于光伏電池，但其表面Ti3+位點或氧空位會捕獲電荷載體，導致鈣鈦礦晶體分解。在光照下，TiO2會促進鈣鈦礦晶體的降解，影響PSC的光穩定性。實驗表明，基于TiO2的PSC在連續光照2000小時后效率下降至60%，而基于MoS2的器件保持90%以上。在濕熱預處理后，TiO2基器件的PCE在1000小時后降至33%，而MoS2基器件PCE仍保留70%以上。在最大功率點跟蹤條件下，MoS2基器件顯示出更好的操作穩定性。XRD分析顯示，MoS2能抑制鈣鈦礦晶體的分解，提高PSC的穩定性，使其與基于TiO2甚至SnO2的器件相媲美。 總之，本研究中引入了介孔 MoS2 中間層作為PSC的替代 ETL。MoS2 中間層提供了與鈣鈦礦覆蓋層的擴大的表面接觸，改善了界面處的電荷動力學。此外，鈣鈦礦和MoS2之間匹配良好的晶格使鈣鈦礦能夠進行范德華外延生長，同時提高結晶度并緩解殘余應變。利用這些有利效果，實現了 PCE 分別為 25.7% (0.08 cm2) 和 22.4% (1.00cm2) 的高性能 PSC。在連續光照2,000小時后，仍能保持90%以上的初始 PCE。Koo, D., Choi, Y., Kim, U. et al. Mesoporous structured MoS2 as an electron transport layer for efficient and stable perovskite solar cells. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01799-8
