特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。有机-无机杂化钙钛矿因其优异的光吸收系数、较长的载流子扩散长度、较低的激子结合能和较高的载流子迁移率，在光伏应用领域受到了研究界的广泛关注。这些独特的特性使得钙钛矿太阳能电池 (PSC) 在过去十年中实现了超过 25% 的认证功率转换效率 (PCE)，超过了各种新兴薄膜太阳能电池的性能。尽管如此，PSC 的性能仍可通过各种添加剂和层间策略得到改进，以达到 Shockley-Queisser 极限。目前，大多数最先进的器件都使用介观TiO2作为电子传输层 (ETL)。PSC中的介孔结构ETL与钙钛矿层的表面接触增加，从而能够有效分离和提取电荷，并实现高效率器件。然而，钙钛矿太阳能电池中ETL的应用主要存在以下问题：PSC中最广泛使用的ETL材料TiO2需要高温烧结工艺（通常超过 500°C）才能获得导电的锐钛矿相，这限制了其适用性，尤其是对于柔性器件。此外，TiO2在入射光下会发生光催化反应，从而限制了操作稳定性。 2、SnO2等替代材料仍存在结晶性差、电子扩散长度短等关键问题 基于胶体SnO2纳米粒子的平面结构电荷传输层由于其适当的能带排列、良好的电子迁移率和低温可加工性，在 PSC 中显示出巨大的应用潜力。但关键的挑战性问题仍有待解决，例如固有的结晶性差和表面缺陷引起的短电子扩散长度。有鉴于此，韩国首尔高丽大学Hyesung Park等人提出介孔MoS2作为一种高效稳定的ETL材料。MoS2中间层增加了与相邻钙钛矿层的表面接触面积，改善了两层之间的电荷转移动力学。此外，与TiO2相比，MoS2与钙钛矿晶格之间的匹配有利于具有低残余应变的钙钛矿晶体的优先生长。使用介孔结构 MoS2作为 ETL，获得了效率为 25.7% (0.08cm2，认证为 25.4%) 和 22.4% (1.00cm2 )的PSC。在连续照明下，所获得的电池可保持稳定超过 2,000 小时，表明相对于TiO2具有更好的光稳定性。作者采用硬模板法合成了花状介孔MoS2，具有较大的比表面积，成功提高了与钙钛矿层的接触面积，有利于电荷分离和提取，有望在光电领域应用。作者通过研究表明，MoS2中间层能增大钙钛矿晶粒尺寸，减少晶界，其表面疏水性改变钙钛矿生长机制，降低残余应变，提升结晶度，从而提高光电性能。作者证实了介孔MoS2作为ETL显著提升PSC光伏性能，增加钙钛矿晶粒尺寸，减少晶界，提高PCE至25.7%，降低滞后行为，改善电荷分离和提取。作者证实了MoS2作为ETL在光照和湿热条件下表现出更好的稳定性，基于MoS2的PSC在连续光照2000小时后仍保持了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作为PSC的ETL材料显著提高了界面电荷提取效率本工作提出的介孔MoS2中间层的设计增加了与钙钛矿覆盖层的表面接触面积，从而提高了钙钛矿层和ETL之间界面处的电荷提取效率。此外，MoS2层作为理想的模板，促进了钙钛矿的范德华外延生长，进一步提升了电池的性能。由于使用MoS2作为ETL材料，所得PSC在连续光照2,000小时后仍能保持90%以上的初始PCE，显示出比传统ETL材料TiO2更强的光稳定性，这对于太阳能电池的商业化和实际应用是非常重要的。 作者采用硬模板法成功合成了介孔MoS2，使用钼酸铵和L-半胱氨酸作为前驱物，借助二氧化硅纳米球（NSs）作为模板，通过水热反应在NSs表面形成MoS2，再经蚀刻得到最终产品。HAADF-STEM图像显示，合成的MoS2呈现花状结构，覆盖大量球形空隙，确认了介孔结构的成功合成。介孔MoS2的比表面积达到411.01m2 g-1，比介孔TiO2高出约40%，有助于增强与钙钛矿层的接触，促进电荷分离和提取。拉曼光谱、PL光谱和XPS分析证实了MoS2的化学计量合成，其中PL光谱显示带隙为1.87eV，与2H相MoS2一致。这些特性使得介孔MoS2在光电领域具有潜在的应用价值。 在研究中，MoS2对钙钛矿吸收层生长的影响显著。通过不同中间层上钙钛矿层的表面形貌分析，发现MoS2层上的钙钛矿晶粒尺寸增大，晶粒边界减少，表明MoS2的多孔表面促进了钙钛矿晶粒的生长。AFM和接触角测量显示，MoS2表面较TiO2更疏水，影响了钙钛矿晶体的生长机制。GIXRD测量揭示了钙钛矿薄膜中晶格应变的分布，基于MoS2的钙钛矿薄膜残余应变显著小于TiO2基样品，表明MoS2有效释放了残余应变。HR-TEM分析进一步证实了MoS2与钙钛矿晶格的良好匹配，促进了钙钛矿的范德华外延生长，改善了结晶性。这些发现表明，MoS2中间层通过调整钙钛矿的晶体特性，显著提升了光电性能。 作者通过采用介孔MoS2作为ETL，与传统的TiO2相比，显著提升了PSC的光伏性能。基于MoS2的PSC在各项光伏参数上均优于基于TiO2的参考器件，其光电转换效率（PCE）达到了25.7%（认证效率为25.4%），短路电流密度（Jsc）为26.1mA cm-2，开路电压（Voc）为1.16 V，填充因子（FF）为84.8%。与TiO2相比，MoS2基PSC减轻了滞后行为，并改善了所有三个关键参数，尤其是Voc和FF。这些提升归因于MoS2诱导的钙钛矿晶体特征改善和残余应变的松弛，减少了缺陷引起的电荷复合，改善了电荷分离和提取。此外，基于MoS2的PSC在大面积器件制造中也展现了良好的性能保持，进一步证实了介孔MoS2在光伏领域的应用潜力。 金属氧化物如TiO2因化学稳定性被广泛用于光伏电池，但其表面Ti3+位点或氧空位会捕获电荷载体，导致钙钛矿晶体分解。在光照下，TiO2会促进钙钛矿晶体的降解，影响PSC的光稳定性。实验表明，基于TiO2的PSC在连续光照2000小时后效率下降至60%，而基于MoS2的器件保持90%以上。在湿热预处理后，TiO2基器件的PCE在1000小时后降至33%，而MoS2基器件PCE仍保留70%以上。在最大功率点跟踪条件下，MoS2基器件显示出更好的操作稳定性。XRD分析显示，MoS2能抑制钙钛矿晶体的分解，提高PSC的稳定性，使其与基于TiO2甚至SnO2的器件相媲美。 总之，本研究中引入了介孔 MoS2 中间层作为PSC的替代 ETL。MoS2 中间层提供了与钙钛矿覆盖层的扩大的表面接触，改善了界面处的电荷动力学。此外，钙钛矿和MoS2之间匹配良好的晶格使钙钛矿能够进行范德华外延生长，同时提高结晶度并缓解残余应变。利用这些有利效果，实现了 PCE 分别为 25.7% (0.08 cm2) 和 22.4% (1.00cm2) 的高性能 PSC。在连续光照2,000小时后，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
