北科納米可提供MXene納米片（可定制）

與常規(guī)的三維鈣鈦礦相比，二維Ruddlesden-Pop型有機(jī)-無(wú)機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦器件展現(xiàn)了優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性，此外在制備工藝簡(jiǎn)單，能帶結(jié)構(gòu)可調(diào)和修飾三維鈣鈦礦界面的優(yōu)勢(shì)上均展現(xiàn)了應(yīng)用于光伏器件的巨大前景。但是在載流子輸運(yùn)過程中，二維鈣鈦礦層間大的有機(jī)間隔陽(yáng)離子極大地阻礙了電荷載流子的有效傳輸，因此二維鈣鈦礦薄膜垂直取向和優(yōu)異的結(jié)晶性是實(shí)現(xiàn)其高效率的關(guān)鍵。

Efficient Two?Dimensional Perovskite Solar Cells Realized by Incorporation of Ti?C?T? 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

本文亮點(diǎn)

1.?2D的Ti?C?T??MXene具有高導(dǎo)電性、高遷移率和表面官能團(tuán)豐富等優(yōu)點(diǎn)，本文將其作為一種納米添加劑來(lái)制備二維鈣鈦礦薄膜。

2.?通過Ti?C?T?納米片的摻雜，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜的缺陷鈍化，結(jié)晶性和取向性的增強(qiáng)。

3.?最終實(shí)現(xiàn)了電荷載流子在垂直方向上的有效傳輸進(jìn)而促進(jìn)二維鈣鈦礦器件短路電流密度和光電轉(zhuǎn)化效率的提升。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

吉林大學(xué)王曉峰課題組在這項(xiàng)工作中，將Ti?C?T?作為一種納米添加劑添加到鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液中來(lái)制備鈣鈦礦薄膜。這種納米添加劑除了可以鈍化鈣鈦礦薄膜的表面外，薄膜的結(jié)晶性和取向性也獲得了提高。這些都促進(jìn)了電荷載流子在垂直方向的快速傳輸，最終促進(jìn)了鈣鈦礦光伏器件短路電流密度(Jsc)和光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)的有效提升。這項(xiàng)工作表明二維MXene材料在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的應(yīng)用中發(fā)揮著巨大的潛力。

圖文導(dǎo)讀

I?Ti?C?T?納米片的制備與表征

二維Ti?C?T? MXene材料通過刻蝕原始材料Ti?AlC? MAX粉末而獲得，XRD圖譜中(104)晶面的消失以及(002)晶面的左移表明Ti?C?T? MXene的成功獲得。通過進(jìn)一步超聲獲得粒徑約為200nm的納米粒子后，以適量的濃度添加到鈣鈦礦的前驅(qū)體溶液中。

圖1.?(a)?Ti?AlC?粉末與刻蝕之后的Ti?C?T?納米片；(b) 超聲之后Ti?C?T?的SEM圖；(c) 超聲之后Ti?C?T?的TEM圖；(d)?Ti?C?T?納米片的粒徑分布圖。

II?二維鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶性與光學(xué)性能分析

通過對(duì)二維鈣鈦礦薄膜的光學(xué)表征和形貌表征，可以從XRD圖譜中發(fā)現(xiàn)薄膜晶向(202)/(111)明顯增強(qiáng)，表明適量Ti?C?T??MXene納米片的摻雜可以增強(qiáng)薄膜的結(jié)晶性和取向性；吸收光譜和薄膜頂部激發(fā)的穩(wěn)態(tài)熒光光譜中，實(shí)驗(yàn)組均表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度，表明Ti?C?T??MXene納米片增強(qiáng)光的吸收和減少鈣鈦礦層內(nèi)部的缺陷密度，從而減少非輻射的復(fù)合；當(dāng)從ITO側(cè)激發(fā)鈣鈦礦薄膜時(shí)，發(fā)現(xiàn)位于薄膜底部小n相峰明顯增強(qiáng)，這有利于不同相之間的均勻分布，進(jìn)而促進(jìn)電荷載流子在垂直方向的快速傳輸，有效增加薄膜器件的短路電流密度；在瞬態(tài)熒光圖譜中，可以發(fā)現(xiàn)適量摻雜的鈣鈦礦薄膜中被激發(fā)的載流子有著更長(zhǎng)的壽命。

圖2.?對(duì)照組與最佳摻雜濃度薄膜表征(a) XRD圖；(b) 紫外可見吸收光譜；PL譜圖(c) 從薄膜頂部激發(fā)，(d) 從ITO側(cè)激發(fā)；(e) TRPL圖；(f) 薄膜內(nèi)部不同相之間電荷載流子的傳輸示意圖。III?鈣鈦礦光伏器件性能表征

二維鈣鈦礦光伏器件采用正式結(jié)構(gòu)，從不同濃度Ti?C?T?納米片摻雜的總體光伏參數(shù)中可以看到，隨著濃度的增加，器件的效率有明顯增加隨后減小的趨勢(shì)。當(dāng)濃度為Ti?C?T?-0.3 mM時(shí)，實(shí)現(xiàn)了最佳的光伏參數(shù)，此后隨著濃度增加會(huì)增加薄膜表面的粗糙度，正如SEM和AFM所證實(shí)的一樣。

圖3.?(a) 二維鈣鈦礦示意圖；(b) 不同Ti?C?T?納米片摻雜器件的J-V曲線；(c) 對(duì)照組與最佳摻雜濃度器件的量子效率與積分電流曲線；(d) 對(duì)照組與最佳摻雜濃度器件的穩(wěn)態(tài)電流密度與PCE。

圖4.?對(duì)照組與最佳摻雜濃度薄膜的SEM圖和AFM圖。為了進(jìn)一步來(lái)說(shuō)明Ti?C?T?納米片摻雜之后對(duì)器件性能的影響，研究了其相關(guān)的載流子動(dòng)力學(xué)。圖a中適量納米片摻雜的器件表現(xiàn)出更接近1的理想因子，表明了更低的載流子復(fù)合；從圖b中的電化學(xué)阻抗圖譜中可以看出適量納米片摻雜的器件擁有更小的Rtr值，表明最佳的電荷轉(zhuǎn)移，最終促進(jìn)短路電流密度的顯著提升。圖c和圖d中僅有電荷傳輸層的SCLC測(cè)試表明摻雜之后的器件有著更低的空間電荷限制電壓(VTFL=0.98)，暗示著器件內(nèi)部缺陷密度的減少。

圖5.?對(duì)照組與最佳摻雜濃度器件(a) 電流密度隨光強(qiáng)的曲線；(b) EIS阻抗圖；(c, d) 僅有電荷傳輸層的暗態(tài)I-V曲線。

在最終制備的鈣鈦礦光伏器件中，Ti?C?T??MXene納米粒子摻雜的器件實(shí)現(xiàn)了15.71%的光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)，相比于對(duì)照組(13.69%)PCE提高了13%，同時(shí)Ti?C?T??MXene納米粒子摻雜的器件展現(xiàn)了一個(gè)更佳的環(huán)境穩(wěn)定性。

圖6.?三維MAPbI?，對(duì)照組與最佳摻雜濃度器件的在濕度為55±5%的穩(wěn)定性。