太陽能電池商業化面臨的主要挑戰是如何同時具有高能量轉化效率和足夠的穩定性。有鑒于此，北京大學周歡萍教授、張艷鋒教授等報道通過轉移的方法，將晶圓級單層MoS2集成到鈣鈦礦的頂部和底部，這種MoS2薄膜能夠阻擋鈣鈦礦中的離子遷移到載流子傳輸層，而且能夠通過強配位相互作用穩定甲脒碘化鉛晶相。形成的Pb-S化學鍵起到化學鈍化效果，并且能夠形成type-I型能帶對齊結構阻擋載流子。構筑面積為0.074cm2的p-i-n型鈣鈦礦太陽能電池器件形成MoS2/FAPbI3/MoS2結構，實現了26.2%的太陽能電池效率（認證的穩態效率為25.9%），面積為9.6 cm2的鈣鈦礦太陽能電池模組電池效率達到22.8%。此外，鈣鈦礦太陽能器件具有優異的濕熱穩定性，在85℃和85%濕度工作1200h后的性能損失<5%。具有顯著的高溫操作穩定性，在高溫工作1200h后性能損失<4%。在以往工作的基礎上，在鈉鈣玻璃基板（soda-lime glass）通過金屬前體分子反應的方式，制備晶圓面積MoS2單層膜。如圖1所示，生長MoS2單層膜導致玻璃由透明變為淡棕色。顯微鏡表征樣品的表面，驗證MoS2薄膜的厚度均勻且面內完整。SEM表征結果表明MoS2薄膜晶體的尺寸達到數百微米。通過Raman光譜表征MoS2薄膜的厚度，如圖1B所示，Raman特征峰為384cm-1和403.5cm-1，間距為19.5cm-1，表明MoS2薄膜為單層。如圖1C所示，MoS2的熒光光譜表征發現~1.88 eV的尖銳強峰，是A激子的特征峰。MoS2轉移。如圖1D所示，這項研究開發了非破壞性且大規模轉移單層MoS2膜的技術。首先刀刮破壞玻璃/MoS2邊緣，形成水滲透的路徑，隨后熱剝離膠帶（TRT）粘在MoS2薄膜，并且將玻璃/MoS2/TRT浸入去離子水，隨后MoS2/TRT從玻璃基板分離，得到MoS2/TRT膜。將干燥后的MoS2/TRT膜壓到目標基底上，并且在熱板上加熱100℃。TRT膜在高溫處理下自動剝離，因此在載體上留下MoS2薄膜。 MoS2薄膜阻擋離子擴散。通過Ag++I-=AgI↓反應研究MoS2薄膜阻擋離子擴散的能力。將KI和AgNO3溶液分別加入H型電解槽的兩端，如圖1E和圖1F所示，作者驗證了MoS2薄膜能夠阻擋I-擴散。基于MoS2能夠阻擋離子擴散的現象，將晶圓尺寸MoS2薄膜集成到p-i-n鈣鈦礦。制備了結構為ITO/FAPbI3/Ag and ITO/FAPbI3/MoS2/Ag的器件，在85℃的N2氣氛手套箱內老化12h，隨后通過飛行時間二次離子質譜（ToF-SIMS）表征Ag電極上的碘信號。作為鈣鈦礦材料中擴散性最強的離子，碘離子能夠擴散到Ag電極并形成AgI。測試結果表明ITO/FAPbI3/Ag的Ag電極具有大量的碘（I）元素的信號，但是ITO/FAPbI3/MoS2/Ag的Ag電極只有少量碘（I）元素的信號。以上研究結果表明，MoS2中間層能夠緩解I-離子向Ag電極的擴散。 構筑結構為ITO/PTAA/FAPbI3/C60/BCP/Ag和ITO/PTAA/MoS2/FAPbI3/MoS2/C60/BCP/Ag的電池器件，并且在1個太陽光照射下的N2氣氛測試200 h的輸出功率穩定性。并且通過ToF-SIMS表征老化后的器件中的元素分布。如圖2C和圖2D所示，修飾MoS2層的太陽能電池器件的I擴散明顯阻礙。晶圓MoS2中間層不僅充當物理隔離層，阻止鈣鈦礦離子遷移到相鄰層，而且可能化學方式鈍化表面缺陷，消除離子遷移的路徑。通過熒光光譜表征，對比MoS2層對鈣鈦礦太陽能電池器件的改善。結果顯示含有MoS2層的ITO/MoS2/FAPbI3/MoS2/Au鈣鈦礦器件具有穩定的PL熒光強度。沒有MoS2中間層的ITO/FAPbI3/Au器件的PL熒光強度在180 s光照射過程中發生衰減。此外，MoS2中間層能夠穩定α-FAPbI3晶相（如圖2G-I）。通常α-FAPbI3晶相在大氣氣氛中不穩定，對暴露于85% RH的FAPbI3、MoS2/FAPbI3、MoS2/FAPbI3/MoS2進行XRD表征，結果表明未修飾MoS2層的FAPbI3在暴露85% RH后的6 h產生δ-FAPbI3晶相（圖2G），MoS2/FAPbI3出現δ晶相的時間延遲到12h（圖2H），MoS2/FAPbI3/MoS2進行在暴露96 h后只有非常少量δ晶相形成（圖2I）。 通過DFT理論計算研究相變的機理。作者對FAPbI3的三類點缺陷（碘缺陷、碘間隙、FA缺陷）造成的α晶相變為δ晶相的能壘進行計算，結果表明能壘分別為0.210 eV、0.354 eV、0.185 eV，當引入MoS2后，能壘分別增加至0.320 eV、0.440 eV、0.209 eV。計算PbI2作為表面的FAPbI3的三類缺陷造成的相變，發現MoS2層導致能壘從0.171 eV、0.425 eV、0.153 eV分別增加為0.196 eV、0.488 eV、0.286 eV。計算結果與實驗結果相符合，說明MoS2和FAPbI3之間的相互作用能夠阻礙α-FAPbI3相變生成δ-FAPbI3。圖3. XPS、Raman、PL熒光表征和測試以及能帶結構通過XPS表征研究MoS2夾層和鈣鈦礦層之間的相互作用。測試發現MoS2層導致S 2p峰導致結合能變低（圖3A），Pb 4f峰結合能變高（圖3B），結果表明MoS2和鈣鈦礦之間的強鍵合作用導致化學態的改變。如圖3C所示，Raman表征結果表明，MoS2和鈣鈦礦界面導致在~284 cm-1形成一個新峰，對應于Pb-S伸縮。Raman表征與XPS表征結果相互印證，表明了鈣鈦礦表面和單層MoS2之間形成Pb-S化學鍵，這種Pb-S化學鍵有助于鈣鈦礦層的穩定。如圖3D所示，通過熒光光譜（PL和TRPL）表征表明，Pb-S化學鍵有助于降低非輻射復合。此外，通過紫外光電子能譜和UV-Vis光譜得到鈣鈦礦和單層MoS2的對齊能帶結構。通過瞬態光電壓和瞬態光電流測試，研究MoS2夾層導致載流子動力學的改變。結果表明，MoS2層改善了載流子復合的壽命，說明界面的非輻射復合現象減少。 通過J-V曲線測試發現，HTL/鈣鈦礦界面修飾MoS2夾層處理的鈣鈦礦太陽能電池器件的平均電池效率從24.1%提高至25.1%，而且對鈣鈦礦/ETL界面修飾MoS2夾層，進一步將電池效率提高至26.1%（圖4A）。開路電壓測試結果表明，修飾MoS2夾層使得Voc從1.13V提高至1.19V。結構為ITO/PTAA/MoS2/FAPbI3/MoS2/C60/BCP/Ag的電池最高認證效率達到25.6%（圖4B）。當置于最大功率點（1.05V），穩態測試的認證電池效率達到~25.9%。 MoS2夾層策略同樣用于其他結構的鈣鈦礦太陽能電池，比如組成為FA1?xCsxPbI3的鈣鈦礦或者結構為n-i-p結構的鈣鈦礦太陽能電池。而且制備了9.6 cm2面積的鈣鈦礦太陽能電池模組（圖4C），模組的最高效率達到22.8%（反掃）和22.1%（正掃），填充因子達到94.8%，活性面積效率為24.1%（反掃）和23.3%（正掃）。穩定性測試。如圖4E所示，在1個太陽光照射下測試器件的開路穩定性。結果表明在2000h后，器件的效率仍保留96.6%，比對比器件的性能更好。如圖4F所示，在MPP點運行2000h后，器件的性能基本上沒有損失。相比的對比器件在400h后性能損失~15%。在MPP點測試85 ℃高溫穩定性（ISOS-L2標準），結果表明器件在1200 h后效率仍然達到23%（效率保留>96%），但是對比器件在600h后性能降低至<55%。作者展示了單層MoS2薄膜能夠作為鈣鈦礦的頂層和底層緩沖層，連續的單層2D形貌起到物理阻擋離子的作用，能夠穩定離子，減少離子遷移通道，因此實現了優異的鈣鈦礦太陽能電池。而且，鈣鈦礦和MoS2之間的強鍵合作用鈍化了鈣鈦礦缺陷位點，因此降低鈣鈦礦界面載流子的非輻射復合，改善器件的效率。目前還沒有使用單層無機2D薄膜用于解決鈣鈦礦太陽能電池的界面離子遷移問題的相關報道。這項研究展示了2D材料的優異性質。此外，這項研究為2D材料和柔性晶格光電材料之間構筑異質結提供可能，有可能拓展到其他領域構筑高效穩定的器件。Huachao Zai et al. , Wafer-scale monolayer MoS2 film integration for stable, efficient perovskite solar cells.Science387,186-192(2025).DOI: 10.1126/science.ado2351https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado2351
