综述：二维材料在光伏技术中的新兴作用：效率提升与未来展望

《Nano-Micro Letters》：Emerging Role of 2D Materials in Photovoltaics: Efficiency Enhancement and Future Perspectives

本综述系统探讨了二维（2D）材料在钙钛矿太阳能电池（PSC）、有机太阳能电池（OSC）和染料敏化太阳能电池（DSSC）中的关键作用。文章重点阐述了2D材料作为电子传输层（ETL）、空穴传输层（HTL）和界面修饰层，通过构建级联能带对齐、钝化缺陷、调控结晶和提升电催化活性等机制，显著增强器件效率（PCE）和稳定性。同时，综述也指出了规模化制备、界面稳定性等挑战，并为下一代光伏技术发展提供了前瞻性视角。

　　

二维（2D）材料因其独特的原子级厚度、可调的能带结构、高载流子迁移率和优异的机械柔韧性，在光伏领域展现出巨大的应用潜力。它们可以作为高效的电荷传输层、界面修饰层或活性层组分，显著提升太阳能电池的性能和稳定性。

二维材料的兴起

石墨烯的成功剥离开启了2D材料研究的热潮。随后，过渡金属二硫属化物（TMDCs，如MoS₂、WS₂）、黑磷（BP）和MXenes等材料家族被不断发掘。这些材料具有从金属性到半导体性（如TMDCs、BP）甚至绝缘性（如h-BN）的宽范围可调带隙，使其能够满足不同光伏器件对光吸收和电荷传输的特定需求。例如，TMDCs的单层表现为直接带隙，而多层则为间接带隙，且具有强的自旋轨道耦合和激子效应。黑磷则表现出显著的面内各向异性和高载流子迁移率。MXenes作为新兴的2D材料，具有高电导率和可调的功函数，在光伏界面工程中备受关注。

二维材料在太阳能电池中的集成策略

2D材料在太阳能电池中主要有三种集成架构：

1. 1.
   平面结构：各功能层（顶电极、HTL、活性层、ETL、底电极）依次垂直堆叠。这种结构简单易制备，但光程有限且电荷复合可能性较高。
2. 2.
   体异质结结构：给体（Donor）和受体（Acceptor）材料在活性层中共混，形成纳米尺度的互穿网络，极大地增加了给体-受体界面面积，有利于激子高效分离。
3. 3.
   纳米复合材料结构：将2D材料纳米颗粒（如MoS₂、富勒烯）嵌入导电聚合物或无机基质中，以增强光吸收和电荷传输。

二维材料在钙钛矿太阳能电池（PSCs）中的作用

在PSCs中，2D材料主要通过以下机制提升性能：

• •
  缺陷钝化与结晶控制：2D材料（如MoS₂量子点、功能化还原氧化石墨烯f-RGO）表面的硫原子或官能团（如-OH）可以与钙钛矿中未配位的Pb²⁺离子形成配位键（如Pb-S），有效钝化表面缺陷，抑制非辐射复合。同时，TMDCs（如MoS₂、WSe₂）平坦的表面可以作为模板，通过范德华外延引导钙钛矿晶体的取向生长，获得大晶粒、低缺陷密度的薄膜。
• •
  优化电荷传输：选择合适的2D材料作为HTL（如高功函的WSe₂、RGO）或ETL（如n型MoS₂、WS₂），可以实现与钙钛矿吸收层更佳的能带对齐，促进电荷的高效提取和传输，减少界面复合。例如，基于RGO的HTL器件展现出优于传统PEDOT:PSS的长期环境稳定性。
• •
  提升效率：通过将2D材料（如MoS₂量子点与f-RGO杂化）作为界面层或缓冲层，可以优化能级对齐、减少针孔、改善界面接触，从而显著提高开路电压（V_oc）、填充因子（FF）和最终的光电转换效率（PCE），部分器件效率已超过26%。

二维材料在有机太阳能电池（OSCs）中的作用

在OSCs中，2D材料的应用主要集中在：

• •
  降低复合，提升效率：将溶液处理的超薄黑磷（BP）作为ETL，可以在活性层和电极之间形成有利的能量梯度（级联能带对齐），促进电子传输，使PCE提升至8.18%。液态剥离的TMDCs（如WS₂）作为HTL，其功函数易于调节，有利于空穴提取，并能减少双分子复合，实现了超过17%的PCE。
• •
  通过降低功函数和界面势垒增强电子收集：利用2D材料（如ZrSe₂）修饰传统的ZnO ETL，可以形成界面偶极，降低ZnO的功函数，从而减小电子从活性层注入ETL的势垒，改善电子收集效率。2D GeSe与ZnO复合可以钝化ZnO表面缺陷，稳定晶体结构，进一步优化界面性能。
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  通过二维阳极修饰层增强空穴收集：GO、rGO、TMDCs和MXenes等2D材料可以作为HTL或阳极界面修饰层，通过其可调的功函数、高透明度和溶液可加工性，改善空穴提取，降低串联电阻，并增强器件稳定性。

二维材料在染料敏化太阳能电池（DSSCs）中的作用

在DSSCs中，2D材料主要作为对电极（CE）替代昂贵且稀缺的铂（Pt）：

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  基于二维材料的对电极提升效率和稳定性：2D Ti₃C₂MXene和MoS₂/石墨烯复合材料作为CE，展现出优异的电催化活性，用于催化电解质中I₃^-到I^-的还原反应。它们的高比表面积和导电性提供了更多的活性位点，加快了反应动力学，从而获得高PCE（例如MoP/MoNiP₂@Ti₃C₂CE器件效率达10.01%）。
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  提升电催化活性：掺杂Zn的WSe₂等2D材料CE，通过增加电导率和创造更多活性位点，进一步增强了其对I₃^-还原的催化性能。循环伏安（CV）和塔菲尔（Tafel）曲线测试表明，这些材料具有高的阴极电流密度和良好的反应可逆性。

挑战与展望

尽管2D材料在光伏领域取得了显著进展，但仍面临一些挑战：

1. 1.
   材料本身的挑战：原子级厚度导致光吸收有限；尖锐边缘易产生缺陷；大规模、高质量、低缺陷的制备技术尚不成熟。
2. 2.
   大规模制备与集成的挑战：化学气相沉积（CVD）的均匀性、液相剥离（LPE）的缺陷控制、以及无损伤转移和层压技术是实现商业化应用的关键瓶颈。
3. 3.
   各类太阳能电池的具体挑战：PSCs需要优化界面工程和钙钛矿组分/形貌以改善电荷传输和稳定性；OSCs需优化给受体共混物形貌并降低ETL功函数以减少复合和界面势垒；DSSCs则需解决染料/电解质长期稳定性、电解质泄漏以及开发高效低成本的对电极。

未来研究应致力于开发可扩展的合成方法（如低温CVD、卷对卷涂布）、构建多功能异质结构、利用原位表征技术理解界面过程，以及通过数据驱动的方法筛选新材料。目标是在2030年前实现PSCs的PCE>28%、在湿热测试10000小时后性能损失<10%的全溶液加工模块，使2D材料赋能的光伏技术成为具有竞争力的太瓦级低碳能源部署技术。

通过持续的跨学科研究，克服上述挑战，二维材料有望在推动下一代高效、稳定、柔性光伏器件的发展中扮演至关重要的角色。