在太阳能光伏应用中，钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光吸收系数、长载流子扩散长度及高转换效率而受到广泛关注，近年来其功率转换效率（PCE）已超过25%。然而，PSCs的性能仍存在一些挑战，尤其是在电荷传输层（ETL）材料的选择上。传统上，介孔TiO2作为ETL材料被广泛应用，但其高烧结温度（超过500°C）限制了其在柔性设备中的应用。此外，TiO2在光照条件下的光催化特性会导致缺陷态的产生，进一步影响钙钛矿层的稳定性和性能。这些问题迫切需要开发新型的ETL材料以提高PSCs的光电性能和稳定性。
有鉴于此，韩国蔚山科学技术院Donghwan Koo，高丽大学Hyesung Park教授团队在Nature Nanotechnology期刊上发表了题为“Mesoporous structured MoS2 as an electron transport layer for efficient and stable perovskite solar cells”的最新论文。研究者们开始探索更具前景的替代材料，如SnO2和MoS2等。近期研究表明，介孔MoS2作为ETL材料具有更低的加工温度（100°C）和优良的电荷转移特性，能够有效改善钙钛矿层的结晶性与电荷提取效率。
研究显示，使用介孔MoS2的PSCs不仅实现了25.7%的高效率（认证效率25.4%），而且在持续光照条件下表现出超过2000小时的光稳定性，保持了90%以上的初始效率。这些成果证明了MoS2作为ETL材料的巨大潜力，为未来高效、稳定的钙钛矿太阳能电池的开发提供了新的技术路径。
1. 实验首次采用介孔MoS2作为钙钛矿太阳能电池（PSC）的电子传输层（ETL），获得了25.7%的最高功率转换效率（PCE），并且经过认证的效率为25.4%。
通过对介孔MoS2的结构设计，研究团队实现了其在较低温度（100°C）下的加工，解决了传统TiO2 ETL所需高温烧结的限制。
2. 实验通过增加MoS2中间层与钙钛矿层的接触面积，改善了电荷提取效率。
MoS2层的引入使得两层之间的电荷转移动力学得到了显著提升，促进了电荷的有效分离和提取，从而提高了整体设备的光电性能。
3. 研究发现MoS2与钙钛矿晶体之间的晶格匹配，促进了钙钛矿晶体的优先生长。
相较于TiO2，MoS2能够显著降低残余应变，改善了钙钛矿层的结晶质量，有助于提高其光电特性。
4. 在长时间光照条件下，使用MoS2作为ETL的PSC展现出优异的光稳定性。
在连续光照2000小时后，器件的功率转换效率保持超过90%的初始水平，显示出相较于传统TiO2 ETL的更强稳定性。
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。
本文通过引入中孔MoS2作为新型电子传输层（ETL），我们成功地改善了界面电荷传输和电池的整体性能。这表明，材料的结构设计与界面优化在提升光电转换效率方面至关重要。中孔MoS2的范德华外延生长和良好的晶格匹配特性，揭示了如何通过合理的材料选择来促进电荷分离和迁移，从而提高电池的稳定性和效率。此外，通过多种表征手段的综合应用，我们深入理解了材料的微观机理，为进一步的研究提供了坚实的基础。
这一发现不仅推动了钙钛矿太阳能电池技术的进步，还为其他新型光电材料的开发提供了借鉴，强调了材料设计、制备及其表征的重要性。未来，结合不同金属和硫族元素的材料组合，可能会带来更大的性能提升与稳定性，从而为钙钛矿太阳能电池的商业化应用开辟新的可能性。总之，本研究为高性能、稳定性优越的钙钛矿太阳能电池的实现提供了新的思路，激励了对新材料探索的进一步研究。
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
