背景

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其易于制造、低成本和出色的光伏（PV）特性而受到科学界和工业界的广泛关注。将2D MXene并入钙钛矿太阳能电池的电子传输层(ETL)，已被证明可用于制造高效光伏设备。然而，ETL的制备环境导致MXene的电性能由于氧化而不可避免地劣化。

全文导读

鉴于此，澳大利亚昆士兰大学的Joseph G. Shapter教授等人将MXene-CNTs杂化物用作钙钛矿太阳能电池的SnO2层和钙钛矿层之间的夹层。首先通过柱凝胶色谱法获得分选的碳纳米管（即金属单壁碳纳米管，m-SWCNT）。通过优化MXene与m-SWCNT的比率，以得到最佳的器件性能。结果表明，MXene与m-SWCNT的杂化物可以有效地改善ETL/钙钛矿的电荷动力学。具体而言，比例为2:1 w/w的MXene/m-SWCNTs显著增强了SnO2/钙钛矿界面处的电荷提取，提供了21.42%的功率转换效率（PCE），填充因子从≈0.69急剧增加到≈0.80（FF）。相关论文成果以“1D-2D Synergistic MXene-Nanotubes Hybrids for Efficient Perovskite Solar Cells”为题于2021年7月2日发表在Small上。

图1所示：a)分离过程前后单壁碳纳米管的光吸收光谱。b)富含m-SWCNT的样品的拉曼光谱。c)SEM、d)TEM和e)分层MXene片的AFM图像。f)MXene溶液的紫外可见光谱。

图2所示：a)MXene/m-SWCNTs混合物的上色SEM图像。b)MXene、m-SWCNTs和MXene/m-SWCNTs混合物的拉曼光谱。拉曼映射揭示了在532 nm波长激光下收集的混合物中c)MXene和(d)SWCNT的分布。新鲜MXene薄膜和紫外线臭氧处理的MXene薄膜的XPS谱图e)和高分辨率XPS谱图f-g)。

图3所示：a)器件结构示意图，显示在ITO和钙钛矿之间引入界面SnO2/CNT层。b)完整器件的横截面SEM图像。旋涂在c)裸SnO2、d)MXene、e)m-SWCNT和f)MXene/m-SWCNT (2:1)上的钙钛矿薄膜的俯视SEM图像。

图4所示：使用不同MXene/m-SWCNT界面层制造的太阳能电池的a)Jsc、b)FF、c)Voc和d)PCE的统计分布。

图5所示：a)J-V曲线和b)基于不同MXene/m-SWCNTs复合材料的器件的EQE光谱。

图6所示：a)具有不同界面层的SnO2薄膜的紫外可见吸收光谱。b)PL和c)ITO/SnO2/钙钛矿、ITO/SnO2/MXene/钙钛矿、ITO/SnO2/m-SWCNTs/钙钛矿和ITO/SnO2/MXene:m-SWCNTs(2:1)/钙钛矿器件上钙钛矿薄膜的TRPL衰减光谱)。d)组装有不同界面层的PSC的EIS。插图显示了用于EIS拟合的等效电路模块。

图7所示：a)在正向和反向扫描方向上测量的参考和基于MXene/m-SWCNT的器件的J-V特性曲线。b)具有和不具有MXene-纳米管混合界面层的器件的归一化效率。

总结

本研究证明了在SnO2层上沉积MXene与最优数量的m-SWCNT可以有效提高PSC的PV性能。通过使用SEM、PL、TRPL和EIS进行的综合研究表明，MXene/m-SWCNTs混合界面层可以降低SnO2和钙钛矿之间界面处的缺陷密度，从而降低陷阱密度，改善电荷提取和传输。用MXene/m-SWCNT (2:1 w/w)制造的PSC表现出超过21%的PCE，FF接近0.80。这项工作表明，溶液处理的MXene/m-SWCNTs混合系统是一种实现高效PSC的简单有效的方法。

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