吉林大学王晓峰等：MXene纳米片助力提升2D钙钛矿电池性能

北科纳米可提供MXene纳米片（可定制）

Efficient Two‑Dimensional Perovskite Solar Cells Realized by Incorporation of Ti₃C₂Tₓ MXene as Nano‑Dopants

Xin Jin, Lin Yang, Xiao-Feng Wang*

Nano-Micro Letters (2021)13: 68

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00602-w

本文亮点

1. 2D的Ti₃C₂Tₓ MXene具有高导电性、高迁移率和表面官能团丰富等优点，本文将其作为一种纳米添加剂来制备二维钙钛矿薄膜。

2. 通过Ti₃C₂Tₓ纳米片的掺杂，实现了钙钛矿薄膜的缺陷钝化，结晶性和取向性的增强。

3. 最终实现了电荷载流子在垂直方向上的有效传输进而促进二维钙钛矿器件短路电流密度和光电转化效率的提升。

内容简介

吉林大学王晓峰课题组在这项工作中，将Ti₃C₂Tₓ作为一种纳米添加剂添加到钙钛矿的前驱体溶液中来制备钙钛矿薄膜。这种纳米添加剂除了可以钝化钙钛矿薄膜的表面外，薄膜的结晶性和取向性也获得了提高。这些都促进了电荷载流子在垂直方向的快速传输，最终促进了钙钛矿光伏器件短路电流密度(J_sc)和光电转化效率(PCE)的有效提升。这项工作表明二维MXene材料在钙钛矿太阳能电池领域的应用中发挥着巨大的潜力。

图文导读

I Ti₃C₂Tₓ纳米片的制备与表征

图1. (a) Ti₃AlC₂粉末与刻蚀之后的Ti₃C₂Tₓ纳米片；(b) 超声之后Ti₃C₂Tₓ的SEM图；(c) 超声之后Ti₃C₂Tₓ的TEM图；(d) Ti₃C₂Tₓ纳米片的粒径分布图。

通过对二维钙钛矿薄膜的光学表征和形貌表征，可以从XRD图谱中发现薄膜晶向(202)/(111)明显增强，表明适量Ti₃C₂Tₓ MXene纳米片的掺杂可以增强薄膜的结晶性和取向性；吸收光谱和薄膜顶部激发的稳态荧光光谱中，实验组均表现出较高的强度，表明Ti₃C₂Tₓ MXene纳米片增强光的吸收和减少钙钛矿层内部的缺陷密度，从而减少非辐射的复合；当从ITO侧激发钙钛矿薄膜时，发现位于薄膜底部小n相峰明显增强，这有利于不同相之间的均匀分布，进而促进电荷载流子在垂直方向的快速传输，有效增加薄膜器件的短路电流密度；在瞬态荧光图谱中，可以发现适量掺杂的钙钛矿薄膜中被激发的载流子有着更长的寿命。

二维钙钛矿光伏器件采用正式结构，从不同浓度Ti₃C₂Tₓ纳米片掺杂的总体光伏参数中可以看到，随着浓度的增加，器件的效率有明显增加随后减小的趋势。当浓度为Ti₃C₂Tₓ-0.3 mM时，实现了最佳的光伏参数，此后随着浓度增加会增加薄膜表面的粗糙度，正如SEM和AFM所证实的一样。

图3. (a) 二维钙钛矿示意图；(b) 不同Ti₃C₂Tₓ纳米片掺杂器件的J-V曲线；(c) 对照组与最佳掺杂浓度器件的量子效率与积分电流曲线；(d) 对照组与最佳掺杂浓度器件的稳态电流密度与PCE。

值，表明最佳的电荷转移，最终促进短路电流密度的显著提升。图c和图d中仅有电荷传输层的SCLC测试表明掺杂之后的器件有着更低的空间电荷限制电压(VTFL=0.98)，暗示着器件内部缺陷密度的减少。

图5. 对照组与最佳掺杂浓度器件(a) 电流密度随光强的曲线；(b) EIS阻抗图；(c, d) 仅有电荷传输层的暗态I-V曲线。

图6. 三维MAPbI₃，对照组与最佳掺杂浓度器件的在湿度为55±5%的稳定性。