太阳能电池商业化面临的主要挑战是如何同时具有高能量转化效率和足够的稳定性。有鉴于此，北京大学周欢萍教授、张艳锋教授等报道通过转移的方法，将晶圆级单层MoS2集成到钙钛矿的顶部和底部，这种MoS2薄膜能够阻挡钙钛矿中的离子迁移到载流子传输层，而且能够通过强配位相互作用稳定甲脒碘化铅晶相。形成的Pb-S化学键起到化学钝化效果，并且能够形成type-I型能带对齐结构阻挡载流子。构筑面积为0.074cm2的p-i-n型钙钛矿太阳能电池器件形成MoS2/FAPbI3/MoS2结构，实现了26.2%的太阳能电池效率（认证的稳态效率为25.9%），面积为9.6 cm2的钙钛矿太阳能电池模组电池效率达到22.8%。此外，钙钛矿太阳能器件具有优异的湿热稳定性，在85℃和85%湿度工作1200h后的性能损失<5%。具有显著的高温操作稳定性，在高温工作1200h后性能损失<4%。在以往工作的基础上，在钠钙玻璃基板（soda-lime glass）通过金属前体分子反应的方式，制备晶圆面积MoS2单层膜。如图1所示，生长MoS2单层膜导致玻璃由透明变为淡棕色。显微镜表征样品的表面，验证MoS2薄膜的厚度均匀且面内完整。SEM表征结果表明MoS2薄膜晶体的尺寸达到数百微米。通过Raman光谱表征MoS2薄膜的厚度，如图1B所示，Raman特征峰为384cm-1和403.5cm-1，间距为19.5cm-1，表明MoS2薄膜为单层。如图1C所示，MoS2的荧光光谱表征发现~1.88 eV的尖锐强峰，是A激子的特征峰。MoS2转移。如图1D所示，这项研究开发了非破坏性且大规模转移单层MoS2膜的技术。首先刀刮破坏玻璃/MoS2边缘，形成水渗透的路径，随后热剥离胶带（TRT）粘在MoS2薄膜，并且将玻璃/MoS2/TRT浸入去离子水，随后MoS2/TRT从玻璃基板分离，得到MoS2/TRT膜。将干燥后的MoS2/TRT膜压到目标基底上，并且在热板上加热100℃。TRT膜在高温处理下自动剥离，因此在载体上留下MoS2薄膜。 MoS2薄膜阻挡离子扩散。通过Ag++I-=AgI↓反应研究MoS2薄膜阻挡离子扩散的能力。将KI和AgNO3溶液分别加入H型电解槽的两端，如图1E和图1F所示，作者验证了MoS2薄膜能够阻挡I-扩散。基于MoS2能够阻挡离子扩散的现象，将晶圆尺寸MoS2薄膜集成到p-i-n钙钛矿。制备了结构为ITO/FAPbI3/Ag and ITO/FAPbI3/MoS2/Ag的器件，在85℃的N2气氛手套箱内老化12h，随后通过飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）表征Ag电极上的碘信号。作为钙钛矿材料中扩散性最强的离子，碘离子能够扩散到Ag电极并形成AgI。测试结果表明ITO/FAPbI3/Ag的Ag电极具有大量的碘（I）元素的信号，但是ITO/FAPbI3/MoS2/Ag的Ag电极只有少量碘（I）元素的信号。以上研究结果表明，MoS2中间层能够缓解I-离子向Ag电极的扩散。 构筑结构为ITO/PTAA/FAPbI3/C60/BCP/Ag和ITO/PTAA/MoS2/FAPbI3/MoS2/C60/BCP/Ag的电池器件，并且在1个太阳光照射下的N2气氛测试200 h的输出功率稳定性。并且通过ToF-SIMS表征老化后的器件中的元素分布。如图2C和图2D所示，修饰MoS2层的太阳能电池器件的I扩散明显阻碍。晶圆MoS2中间层不仅充当物理隔离层，阻止钙钛矿离子迁移到相邻层，而且可能化学方式钝化表面缺陷，消除离子迁移的路径。通过荧光光谱表征，对比MoS2层对钙钛矿太阳能电池器件的改善。结果显示含有MoS2层的ITO/MoS2/FAPbI3/MoS2/Au钙钛矿器件具有稳定的PL荧光强度。没有MoS2中间层的ITO/FAPbI3/Au器件的PL荧光强度在180 s光照射过程中发生衰减。此外，MoS2中间层能够稳定α-FAPbI3晶相（如图2G-I）。通常α-FAPbI3晶相在大气气氛中不稳定，对暴露于85% RH的FAPbI3、MoS2/FAPbI3、MoS2/FAPbI3/MoS2进行XRD表征，结果表明未修饰MoS2层的FAPbI3在暴露85% RH后的6 h产生δ-FAPbI3晶相（图2G），MoS2/FAPbI3出现δ晶相的时间延迟到12h（图2H），MoS2/FAPbI3/MoS2进行在暴露96 h后只有非常少量δ晶相形成（图2I）。 通过DFT理论计算研究相变的机理。作者对FAPbI3的三类点缺陷（碘缺陷、碘间隙、FA缺陷）造成的α晶相变为δ晶相的能垒进行计算，结果表明能垒分别为0.210 eV、0.354 eV、0.185 eV，当引入MoS2后，能垒分别增加至0.320 eV、0.440 eV、0.209 eV。计算PbI2作为表面的FAPbI3的三类缺陷造成的相变，发现MoS2层导致能垒从0.171 eV、0.425 eV、0.153 eV分别增加为0.196 eV、0.488 eV、0.286 eV。计算结果与实验结果相符合，说明MoS2和FAPbI3之间的相互作用能够阻碍α-FAPbI3相变生成δ-FAPbI3。图3. XPS、Raman、PL荧光表征和测试以及能带结构通过XPS表征研究MoS2夹层和钙钛矿层之间的相互作用。测试发现MoS2层导致S 2p峰导致结合能变低（图3A），Pb 4f峰结合能变高（图3B），结果表明MoS2和钙钛矿之间的强键合作用导致化学态的改变。如图3C所示，Raman表征结果表明，MoS2和钙钛矿界面导致在~284 cm-1形成一个新峰，对应于Pb-S伸缩。Raman表征与XPS表征结果相互印证，表明了钙钛矿表面和单层MoS2之间形成Pb-S化学键，这种Pb-S化学键有助于钙钛矿层的稳定。如图3D所示，通过荧光光谱（PL和TRPL）表征表明，Pb-S化学键有助于降低非辐射复合。此外，通过紫外光电子能谱和UV-Vis光谱得到钙钛矿和单层MoS2的对齐能带结构。通过瞬态光电压和瞬态光电流测试，研究MoS2夹层导致载流子动力学的改变。结果表明，MoS2层改善了载流子复合的寿命，说明界面的非辐射复合现象减少。 通过J-V曲线测试发现，HTL/钙钛矿界面修饰MoS2夹层处理的钙钛矿太阳能电池器件的平均电池效率从24.1%提高至25.1%，而且对钙钛矿/ETL界面修饰MoS2夹层，进一步将电池效率提高至26.1%（图4A）。开路电压测试结果表明，修饰MoS2夹层使得Voc从1.13V提高至1.19V。结构为ITO/PTAA/MoS2/FAPbI3/MoS2/C60/BCP/Ag的电池最高认证效率达到25.6%（图4B）。当置于最大功率点（1.05V），稳态测试的认证电池效率达到~25.9%。 MoS2夹层策略同样用于其他结构的钙钛矿太阳能电池，比如组成为FA1−xCsxPbI3的钙钛矿或者结构为n-i-p结构的钙钛矿太阳能电池。而且制备了9.6 cm2面积的钙钛矿太阳能电池模组（图4C），模组的最高效率达到22.8%（反扫）和22.1%（正扫），填充因子达到94.8%，活性面积效率为24.1%（反扫）和23.3%（正扫）。稳定性测试。如图4E所示，在1个太阳光照射下测试器件的开路稳定性。结果表明在2000h后，器件的效率仍保留96.6%，比对比器件的性能更好。如图4F所示，在MPP点运行2000h后，器件的性能基本上没有损失。相比的对比器件在400h后性能损失~15%。在MPP点测试85 ℃高温稳定性（ISOS-L2标准），结果表明器件在1200 h后效率仍然达到23%（效率保留>96%），但是对比器件在600h后性能降低至<55%。作者展示了单层MoS2薄膜能够作为钙钛矿的顶层和底层缓冲层，连续的单层2D形貌起到物理阻挡离子的作用，能够稳定离子，减少离子迁移通道，因此实现了优异的钙钛矿太阳能电池。而且，钙钛矿和MoS2之间的强键合作用钝化了钙钛矿缺陷位点，因此降低钙钛矿界面载流子的非辐射复合，改善器件的效率。目前还没有使用单层无机2D薄膜用于解决钙钛矿太阳能电池的界面离子迁移问题的相关报道。这项研究展示了2D材料的优异性质。此外，这项研究为2D材料和柔性晶格光电材料之间构筑异质结提供可能，有可能拓展到其他领域构筑高效稳定的器件。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
