高效率、长寿命钙钛矿电池新方法！

【研究背景】

钙钛矿太阳能电池（PSCs）是近年来备受关注的光伏材料，因其优异的光吸收系数、较长的载流子扩散长度和高电荷载流子迁移率，被广泛应用于可再生能源等领域。与传统的硅基太阳能电池相比，钙钛矿材料具有更高的功率转换效率和更低的制造成本。然而，目前在PSCs中普遍采用的电子传输层（ETL）材料TiO2需要高于500°C的烧结温度，限制了其在柔性设备中的应用。此外，TiO2的光催化特性容易在光照条件下产生缺陷状态，进而影响钙钛矿层的稳定性和性能。因此，寻找具有优越性能且能在低温下处理的ETL材料成为亟待解决的挑战。

为了解决这一挑战，韩国蔚山科学技术院Donghwan Koo，高丽大学Hyesung Park教授团队在ETL材料方面取得了新的进展。他们设计并制备了介孔MoS2作为替代的电子传输层。这种材料的加工温度低至100°C，解决了高温烧结对柔性器件的限制。同时，介孔MoS2中间层提供了更大的表面接触面积，显著提高了与钙钛矿层之间的电荷提取效率。此外，MoS2的晶格参数与钙钛矿的良好匹配，促进了钙钛矿的优先生长，显著改善了上层钙钛矿层的结晶质量，降低了残余应变。

利用介孔MoS2作为ETL，该团队成功获得了0.08 cm²面积的PSCs效率为25.7%（认证效率25.4%）和1.00 cm²面积的效率为22.4%。更值得注意的是，在连续光照条件下，该电池在2000小时后仍保持超过90%的初始功率转换效率，显示出优越的光稳定性。这项研究为提升钙钛矿太阳能电池的性能提供了新的思路，同时为未来新型电子传输层材料的开发奠定了基础。

【科学亮点】

本文通过多种表征手段，深入探讨了所制备的介孔MoS₂的性质及其在钙钛矿太阳能电池（PSCs）中的应用。首先，使用冷场发射扫描电子显微镜（Fe-SEM）和原子力显微镜（AFM）对MoS₂、TiO₂和钙钛矿材料的形貌进行了观察。这些表征揭示了MoS₂的介孔结构和表面特性，使我们能够理解其在电荷动态中的关键作用。

针对电荷转移现象，本文运用高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）对介孔MoS₂与钙钛矿界面进行了微观机理的分析。通过观察其晶体结构和界面质量，我们获得了两者之间良好的晶格匹配的证据，这一发现为MoS₂作为电子传输层（ETL）在PSCs中的应用提供了重要依据。进一步分析表明，MoS₂的晶体质量优异，有助于降低界面缺陷，进而提升电池的光电转换效率。

此外，本文还运用拉曼光谱和光致发光（PL）光谱技术，评估了MoS₂和钙钛矿的光学特性。结果显示，MoS₂具有较高的光吸收能力和优越的电荷分离特性，这为其在高效PSCs中的应用奠定了基础。同时，X射线光电子能谱（XPS）分析进一步揭示了MoS₂的化学组成及其表面化学状态，表明所合成的MoS₂具有良好的电子导电性。

为全面了解材料的表面特性，本文采用了氮气吸附-脱附法测定了TiO₂和MoS₂的比表面积。结果表明，介孔MoS₂的比表面积显著高于传统ETL材料，这不仅提供了更大的表面接触面积，也有助于增强电荷的传输能力。

在此基础上，本文通过多项表征手段，发现介孔MoS₂的独特性质使其在PSCs中表现出色。经过电流-电压（J-V）特性测试，我们获得了最高的光电转换效率（PCE）达到25.7%（0.08 cm²）和22.4%（1.00 cm²），而且在2000小时的持续光照下，电池的初始效率保持率超过90%。这些结果表明，介孔MoS₂作为ETL的应用能够有效提升PSCs的性能和稳定性。

【图文解读】

图1: 介孔MoS2合成和表征。

图2: 钙钛矿膜的形态特性和残余应变行为。

图3: 常规介观结构钙钛矿太阳能电池perovskite solar cells，PSC光伏性能。

图4: 在连续入射光照时，钙钛矿太阳能电池PSC稳定性分析。

【结论展望】

本文的研究揭示了中孔MoS2作为钙钛矿太阳能电池（PSC）电子传输层（ETL）的巨大潜力，为未来材料的开发提供了新的思路。研究表明，MoS2不仅能够提高电池的光电转化效率（PCE），还显著改善了电池的稳定性，尤其是在长期光照下保持高效能。这一发现表明，通过优化材料界面和增强电荷传输，可以有效提升钙钛矿电池的整体性能。

此外，MoS2与钙钛矿之间的良好晶格匹配促进了范德华外延生长，使得电池界面的电荷分离和迁移更加高效，进一步提高了光电转换效率。这一微观机制的深入理解，不仅为钙钛矿太阳能电池的设计提供了理论基础，也为未来探索其他二维材料在光电领域的应用提供了重要参考。

综上所述，本文的研究不仅推动了钙钛矿太阳能电池技术的发展，也为材料科学领域的进一步探索开辟了新的方向，尤其是在寻找高效且稳定的光电材料方面，具有重要的科学启示。

文献信息：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