构建高性能钙钛矿电池：MXene边缘生长多维TiO2/SnO2异质结网络

基于高导电，亲水性和赝电容特性，二维Ti₃C₂T_X MXene纳米片在太阳能电池、锌离子电容器、传感器等领域得到了广泛研究。SnO₂是一种常见的宽禁带半导体，由于其可低温制备的特性，有潜力应用于未来的柔性器件，然而，还需优化材料与改进结构，以发挥最优光电性能。尽管TiO₂被报道能与SnO₂形成异质结，然而，制备锐钛矿型TiO₂一般需较高温度或复杂工艺，这反而制约了SnO₂的应用。现阶段，通过水热反应或高温作用在MXene上可生成锐钛矿型TiO₂，为进一步与SnO₂有效结合，仍需探索低温制备工艺，有效复合MXene、TiO₂和SnO₂，以利于发挥整体的更优性能。

Low‑Temperature Growing Anatase TiO₂/SnO₂ Multi‑dimensional Heterojunctions at MXene Conductive Network for High‑Efficient Perovskite Solar Cells

Linsheng Huang, Xiaowen Zhou, Rui Xue, Pengfei Xu, Siliang Wang, ChaoXu, Wei Zeng*, Yi Xiong*, Hongqian Sang, Dong Liang

Nano‑Micro Lett.(2020)12:44

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00379-5

本文亮点

内容简介

安徽大学曾玮课题组与武汉纺织大学熊祎课题组合作，在这篇文章中报道了一种低温退火工艺及生成的多维异质结导电网络在钙钛矿太阳能电池中的应用。通过在空气和氮气中可控低温退火的方法，基于氧空位争夺效应，在二维Ti₃C₂T_X MXene片边缘原位生长零维TiO₂量子点，且零维量子点和三维SnO₂颗粒牢固结合，形成一种独特的多维异质结导电网络。当应用于钙钛矿电池电子传输层时，这种多维异质结的引入不仅有效提升了电子传输层的光学特性，而且改善了上层钙钛矿的结晶度及内部界面，为内部载流子的大规模传输提供了有效的纳米传输网络。这使得钙钛矿太阳能电池的光电转化效率从16.83％上升到19.14％，且能够在30％-40％湿度的空气中，仍保持性能的85％超过45天，且具有可忽略的迟滞特性，从而为异质结的可控构建及光电器件改进提供思路。

图文导读

I 多维异质结薄膜的制备

II 多维异质结薄膜的表征与分析

III 多维异质结导电网络的生长机理

IV 钙钛矿太阳能电池性能分析

以多维异质结导电网络为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，采用了正置器件结构。通过对电子传输层上层的钙钛矿层进行SEM形貌分析，发现，相比于电子传输层未采用可控退火工艺的样品，基于可控退火的样品，其钙钛矿晶体的尺寸明显增大，这有利于钙钛矿层的光电转换及载流子分离。

为研究多维异质结薄膜的载流子传输效果，作者对基于多维异质结薄膜与纯SnO₂薄膜的样品，进行了一系列光电表征与分析。透射光谱、吸收光谱、稳态及瞬态光致发光光谱(PL, TRPL)、瞬态光电压及光电流(TPV，TPC)、空间电荷限制电流分析表明，基于多维异质结薄膜的样品，具有更高的透光性，更强的电子猝灭及传输能力，更快的电子传输能力，及更弱的载流子复合能力，同时也证明了其钙钛矿层具有更优的结晶及更少的界面缺陷。

作者还对多维异质结薄膜的能级特性进行了分析，紫外光电子能谱(UPS)分析表明，基于多维异质结的薄膜，其导带底与价带顶位置均下降了0.21 eV。相比于纯SnO₂为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，以多维异质结薄膜为电子传输层的钙钛矿太阳能电池具有更强的空穴阻挡及电子获取能力，从而为电池的高光电转化效率、抗湿稳定性及且可忽略的迟滞特性提供了有力支撑。

图7.基于多维异质结薄膜与纯SnO₂薄膜样品的光电表征。(a)PL光谱；(b)TRPL光谱；(c)TPV曲线；(d)TPC曲线；(e)UPS光谱；(f)钙钛矿太阳能电池的能带结构图。

信息来源： nanomicroletters

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