AM：液相外延生长钙钛矿助力高效太阳能电池

来源：研之成理

首次发现 MAPbI3 钙钛矿材料在 MoS2 二维材料基底上的液相外延生长，能有效提高钙钛矿薄膜的结晶度和薄膜质量，从而明显提高太阳能电池的能量转换效率与稳定性。

研究背景

近年来，有机无机杂化钙钛矿材料作为一种光电明星材料受到广泛研究和关注。基于钙钛矿材料的太阳能电池的认证效率已达到 24.2 %，这无疑展现出此材料的巨大优势和潜力。在电池制备过程中，溶液旋涂法因其工艺简单，成本低廉已成为制备钙钛矿薄膜的最主要的制备方法。光电性能优异的钙钛矿薄膜，比如较低的非辐射-复合缺陷密度，较少的晶界，一致的晶体取向，是高效太阳能电池的保证。然而，有效控制钙钛矿薄膜的结晶质量和晶体取向对于溶液法是一种挑战。研究人员为解决此问题做出了很多有意义的改进，比如采用溶剂工程，借助添加剂和优化生长衬底等。尽管此类方法对于提高电池的光伏性能有一定改善，但对于有效控制钙钛矿结晶取向却显得无力，这也一定程度上限制了钙钛矿电池效率的增长。

研究出发点

范德华（vdW）外延生长技术被广泛应用在制备具有晶体取向一致的高质量半导体材料中，尤其是二维半导体材料。由于其生长衬底具有光滑和无悬挂键的表面，在其表面生长的晶体会具有一致的晶体取向，从而降低缺陷密度。Xiangfeng Duan 等人在 2D Bi2Se2 纳米片上实现了大面积立方 PbSe 的液相 vdW 外延生长【1】；Zhongfan Liu 等人也采用液相 vdW 外延生长技术在石墨烯衬底上制备了超薄石墨炔薄膜【2】。这些研究成果激发我们尝试采用晶格参数合适的二维材料作为生长衬底，利用 vdW 外延生长技术有效控制钙钛矿薄膜的结晶取向，以提高电池的光伏性能。

MoS2 被选为钙钛矿（MAPbI3）vdW 外延生长的衬底是基于以下原因：1、因其具有高载流子迁移率；2、合适的能带结构；3、可溶液制备；4、晶格参数与 MAPbI3 匹配。

图文解析

A.晶体取向

首先，我们将 MoS2 纳米片溶液滴涂在带有碳膜的铜网上，然后将 MAPbI3 溶液旋涂在 MoS2 纳米片上，随后加热结晶。在 TEM 下观察发现，MoS2 的（110）面和 MAPbI3 的（008）面的衍射光斑是重合的，此现象在其他样品中也普遍被发现；因此，在 MoS2 上的 vdW 外延生长使得 MAPbI3 薄膜沿面外（110）方向择优生长；另外，2D GIWAX 测试也表明在 MoS2 上生长的 MAPbI3 沿（110）方向择优生长。因此，采用 MoS2 作为 MAPbI3 vdW 外延生长衬底，有效的控制了钙钛矿晶体取向。

B．光伏性能

我们将 MoS2 引入电池中，由于在其生长的钙钛矿具有取向一致，缺陷密度低，电池表现出的最高效率达 20.55 %，相比于 control 样品改善了 15 %。开路电压从 1.08 V 提升到 1.13 V，这主要归于钙钛矿薄膜缺陷密度的减少；填充因子从 77.52 % 提高到 80.26 %，短路电流从 21.72 mA/cm2 提高到 22.66 mA/cm2，填充因子和短路电流的改善主要归因于 MoS2 的存在使得载流子在钙钛矿层与空穴传输层（PTAA）的传输得到增强和由于钙钛矿晶体取向一致导致在垂直方向更有效的电荷传输。

总结与展望

本课题实现了在 MoS2 上液相外延生长取向一致的钙钛矿薄膜，并将此应用到钙钛矿太阳能电池中，大幅度提高了电池效率和改善了稳定性。考虑到二维材料的多样性，我们可以选择不同的二维材料作为外延生长衬底来制备不同组分的钙钛矿薄膜，来获得不同类型的高性能钙钛矿太阳能电池。这项工作为采用简单的溶液法来制备外延钙钛矿薄膜做出了有意义的尝试，这不仅可以用来制备钙钛矿电池，也可制备其他类型钙钛矿光电器件。

心得与体会

做研究过程中要多沉下心来问几个为什么，会让自己的研究更深入和逻辑更清晰，得到的结论更有指导意义；要多关注一些不同领域的研究成果，借鉴不同研究方法，经常会得到意外收获；要经常改善自己的实验操作和数据分析的逻辑方法，提高研究效率。最后，研究需要持之以恒，耐住寂寞，付出总会有收获的。

参考文献

【1】Z. Lin, A. Yin, J. Mao, Y. Xia, N. Kempf, Q. He, Y. Wang, C.-Y. Chen, Y. Zhang, V. Ozolins, Z. Ren, Y. Huang, X. Duan, Sci. Adv. 2016, 2, e1600993.

【2】X. Gao, Y. Zhu, D. Yi, J. Zhou, S. Zhang, C. Yin, F. Ding, S. Zhang, X. Yi, J. Wang, L. Tong, Y. Han, Z. Liu, J. Zhang, Sci. Adv. 2018, 4, eaat6378.

课题组介绍

香港理工大学严锋教授课题组主要研究生物传感器，薄膜晶体管，有机和钙钛矿太阳能电池，二维材料等。近年来，在 Chem. Soc. Rev., Nat. Commun., Adv. Mater.,J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., EES, ACS Nano, Nano Lett.等 SCI 期刊发表 200 多篇文章，H 因子为 55.

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201807689