在追求更高效、更稳定的太阳能转换技术的征途中，科学家们从未停止过探索的脚步。近日，来自北京大学等科研机构的科学家们在国际顶尖学术期刊《科学》（Science）上发表了一项重要研究成果，揭示了利用二维材料二硫化钼（MoS2）作为缓冲层，能够显著提升钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转换效率（PCE）和稳定性。这一发现不仅为钙钛矿太阳能电池的商业化应用开辟了新路径，也为我们理解并优化太阳能电池的性能提供了全新视角。
一、研究背景
1. 研究问题
本文探讨了在钙钛矿太阳能电池（PSCs）中集成单层MoS₂薄膜的有效性，以解决高效能和稳定性之间的矛盾。通过在钙钛矿层的上下方集成MoS₂缓冲层，来抑制离子迁移并增强钙钛矿的化学稳定性。
2. 研究难点
钙钛矿材料在光伏应用中面临的主要挑战是其在高温、光照和电场等环境下的降解，尤其是离子迁移会导致性能下降。因此，如何有效地减少离子迁移并提高设备的长期稳定性是一个亟待解决的问题。
3. 关键论点
单层MoS₂能够物理阻挡钙钛矿中的离子迁移，同时通过强的配位相互作用化学稳定化钙钛矿相。
通过形成Pb-S键实现有效的化学钝化，并通过类型I带隙排列阻止少数载流子迁移。
集成MoS₂的钙钛矿太阳能电池在潮湿热环境下表现出优异的稳定性，经过1200小时测试后，效率损失小于5%。
4. 相关工作
之前的研究主要集中在通过界面工程和化学钝化材料来减少离子迁移，但未能实现高效且稳定的单层缓冲层的无损制造。
二、研究方法
本文提出了一种集成单层MoS₂薄膜的方法，具体内容如下：
1. 薄膜制备
采用面对面金属前驱体供给法在玻璃基底上制备均匀的单层MoS₂薄膜。通过光学显微镜观察到样品表面颜色均匀，表明薄膜厚度一致。
2. 转移过程
开发了一种无损的可扩展转移工艺，将MoS₂薄膜转移到钙钛矿层的表面。转移过程中，MoS₂薄膜的厚度约为0.8 nm，符合单层特征。
3. 离子迁移阻挡
通过时间飞行二次离子质谱（ToF-SIMS）分析，证明MoS₂薄膜有效阻止了钙钛矿中I离子的迁移。实验结果显示，控制样品中I信号在银电极中广泛分布，而目标样品中的I信号显著减少。
4. 化学钝化
使用X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱分析，确认了MoS₂与钙钛矿之间的Pb-S键的形成，表明MoS₂在化学钝化方面的有效性。
三、实验设计
1. 样品选择
选择了ITO/PTAA/FAPbI₃/C₆₀/BCP/Ag架构的设备进行测试，确保对比分析的有效性。
2. 测试条件
在85°C和85%相对湿度下进行潮湿热稳定性测试，评估设备在极端环境下的表现。经过1200小时的测试，MoS₂缓冲层的设备保持了>95%的初始PCE。
3. 性能评估
通过电流-电压（J-V）曲线测试，评估不同配置的太阳能电池的光电性能。MoS₂层的引入使得设备的PCE从24.1%提升至26.1%。
4. 稳定性测试
对设备进行MPP跟踪，MoS₂缓冲层的设备在2000小时的测试中效率下降小于4%，显示出优异的高温操作稳定性。
四、结果与分析
1. 离子迁移抑制
ToF-SIMS结果表明，MoS₂缓冲层显著减少了I离子在银电极中的迁移，验证了其在抑制离子迁移方面的有效性。
2. 化学稳定性
XRD测试显示，MoS₂缓冲层延缓了钙钛矿的相变，钙钛矿的d相出现时间明显延长，表明MoS₂在湿度环境中保护钙钛矿的作用。
3. 光电性能提升
通过J-V曲线分析，MoS₂缓冲层的设备在PCE和开路电压（VOC）上均有显著提升，达到26.2%的最高效率。
4. 长期稳定性
在1-sun照射下，目标设备在2000小时内保持96.6%的初始PCE，显示出优异的光稳定性。
五、总体结论
本文通过集成单层MoS₂薄膜，成功实现了在钙钛矿太阳能电池中对离子迁移的有效抑制，并显著提高了设备的光电性能和长期稳定性。实验结果表明，MoS₂作为缓冲层，不仅能物理阻挡离子迁移，还能通过化学钝化增强钙钛矿的稳定性。未来的研究可进一步探索其他二维材料在钙钛矿光电器件中的应用，以推动高效稳定的光伏技术的发展。
六、论文点评
1. 优点与创新
该研究成功地将单层MoS₂膜集成到钙钛矿太阳能电池中，显著提高了器件的功率转换效率（PCE）和稳定性，最高达到26.2%。
通过物理和化学方式有效抑制了钙钛矿中的离子迁移，形成了强Pb-S键，增强了钙钛矿的化学稳定性。
该工作展示了将二维材料与钙钛矿结合的潜力，为未来的光电器件提供了新的设计思路和实用框架。
2. 不足与反思
研究中使用的MoS₂膜的制备和转移过程可能在大规模生产中面临挑战，需探索更简便的制造方法。
尽管器件在潮湿和高温条件下表现出良好的稳定性，但长期使用中的实际表现仍需进一步验证。
对于不同环境条件下的稳定性测试，缺乏多样化的实验数据，可能影响结论的普适性。
论文未对MoS₂与钙钛矿界面的长期相互作用进行深入探讨，未来需要更多关于界面稳定性的研究。