西安电子科大：利用MXene纳米材料，实现高效稳定光伏发电！

多晶钙钛矿薄膜的缺陷控制是实现高效稳定钙钛矿太阳能电池（PSC）的关键。然而，现有的减少缺陷的方法工艺复杂，耐久性低，并且在钝化机理方面使用分子材料的效果有限。

此，作者使用SnO2纳米颗粒/Ti3C2TxMXene纳米片组成的杂化膜用作平面规则结构PSC中的电子传输层（ETL）。结果表明，通过改变Ti3C2Tx/SnO2比。钙钛矿薄膜中的缺陷密度从5.65×10¹⁵大幅度降低到2.25×1015cm⁻³。PSCs的功率转换效率从16.28%显著提高到20.35%，且未封装器件的环境稳定性得到了极大改善。相关论文以题目为“Controlling the Defect Density of Perovskite Films by MXene/SnO 2 Hybrid Electron Transport Layers for Efficient and Stable Photovoltaics”发表在Journal of Physical Chemistry C期刊上。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.1c04361

有机的−无机卤化物钙钛矿太阳能电池（PSC）由于其高效率、低成本、与柔性衬底的良好兼容性、实现串联光伏（PV）器件的直接性等优点，近年来受到越来越多的关注。如今，最高效的PSC已实现认证功率转换效率（PCE）高达25.5%。PSC的高性能主要来源于钙钛矿的固有特性，如大的光吸收系数、高的电子和空穴迁移率以及长的载流子寿命。众所周知，钙钛矿薄膜的质量对光电性能和稳定性起着至关重要的作用，因为较差的钙钛矿薄膜与块材或表面的丰富缺陷密切相关，这将增加电荷复合和离子迁移的机会。通常，在溶液处理钙钛矿层的结晶过程中，容易产生大量缺陷，如界面和晶界（GB）缺陷。理论上，大多数缺陷可能是钙钛矿层中形成的浅层缺陷，如离子缺陷和界面缺陷。此外，最近的实验结果表明，表面可能是最容易形成缺陷的地方。

这些发现为使用分子材料钝化钙钛矿薄膜中的缺陷提供了巨大的机会。路易斯碱/酸可以作为电子给体/受体，与钙钛矿薄膜的带电缺陷相互作用，从而消除由相关缺陷引起的电荷陷阱。机卤化物分子也可以通过某些分子间相互作用来钝化钙钛矿薄膜中的缺陷。在这项工作中，基于SnO2纳米颗粒和Ti3C2TxMXene纳米片的混合ETL用于规则结构平面PSC。通过调整Ti3C2Tx相对于SnO 2的含量，可以有效控制钙钛矿顶层的薄膜特性，包括致密度、晶体尺寸、表面粗糙度、结晶度、光吸收、缺陷密度等，这些主要影响器件性能的变化，而在作者的研究中，与原始SnO 2薄膜相比，杂化ETL中的导电性没有得到改善。通过这种简单的混合ETL设计，在AM 1.5G照明下可获得20.35%的最佳PCE，且未封装的PSC可保持∼在25°C、相对湿度为30%的空气环境中储存768小时后，其初始值的74%，这两种方法都优于使用原始SnO 2作为ETL的控制装置。

图1.（a）SEM(b）XRD图，插图为Ti 3C 2Tx纳米片的HRTEM图(c）Ti 2p的高分辨XPS光谱(d）紫外线−可见光−ITO衬底上原始SnO2薄膜和Ti3C2Tx/SnO 2杂化薄膜的近红外透射光谱；（e）原始Sno2薄膜和（f）Ti3C2tx/sno2杂化薄膜的SEM图像和水接触角(g） sn3d的高分辨XPS光谱(h）薄膜的肖特基曲线(i）器件的特性，插图为器件结构。

图2.沉积的钙钛矿薄膜的SEM图、平均晶粒尺寸和AFM图像 (c）平均晶粒尺寸/rms表面粗糙度与MXene含量之间的相关图(d）XRD图谱与（e）UV−可见光−在原始薄膜和杂化薄膜上沉积的钙钛矿薄膜的近红外吸收光谱。

图3.（a）采用的PSC的能带结构(b）在原始薄膜和杂化薄膜上沉积的钙钛矿薄膜的稳态PL谱，（c）TRPL谱和（d）瞬态带边动力学(e）SCLC法测量钙钛矿薄膜中缺陷密度的纯电子器件的曲线(f）钙钛矿薄膜的缺陷密度和MXene含量之间的关系图，插图是纯电子器件的结构。

这项工作提供了一种使用新兴MXene纳米材料减少钙钛矿薄膜缺陷的简便、可靠和有效的方法，并可能对其他钙钛矿基电子器件产生有益效果。（文：爱新觉罗星）