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兰州大学栗军帅教授团队《ACS AMI》：添加Ti3C2Tx MXene提高CsPbI2Br钙钛矿太阳电池的综合性能

   2022-09-17 admin410
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近年来，有机 - 无机杂化钙钛矿太阳电池的光电转换效率 （ P CE ） 从 3.8% 提升到 25.7% 。然而，有机 - 无机杂化钙钛矿材料中的 有机 阳离子在湿热环境下易分解，这严重阻碍了相关太阳电池的商业化。 对于全无机钙钛矿 CsPbI 2 Br ，其优势在于 具有合适的带隙（ ~1.9 eV ） 以及优异的 光稳定性和热稳定性，为实现钙钛矿太阳电池的商业化提供了可行性。但是其 P CE 一直低于有机 - 无机杂化电池。 在各种改善 CsPbI 2 Br 电池 光电 转换 性能的方案中 ，添加剂工程是 一种 有效 的途径 。
基于此，兰州大学材料与能源学院栗军帅教授课题组报道了一种提高 CsPbI 2 Br 太阳电池 综合性能的简单策略——将 Ti 3 C 2 T x   MXene 纳米片添加到 CsPbI 2 Br 活性层中以优化其物理化学性能，并全面深入探讨了相关机制。该研究成果以“ Improved comprehensive photovoltaic performance and mechanisms by additive engineering of Ti 3 C 2 T x  MXene into CsPbI 2 Br ”为题发表在《 A CS Applied Materials & Interfaces 》期刊上。
该课题组 研究发现， 适量的 Ti 3 C 2 T x  MXene 添加， 可以改善 CsPbI 2 Br 薄膜的结晶度，降低缺陷密度。并且， MXene 纳米片和 CsPbI 2 Br 之间形成的肖特基结， 增强 了钙钛矿层中 光生电子和空穴的分离和传输 。 因此， Ti 3 C 2 T x  MXene 添加使得基于 ITO/SnO 2 /CsPbI 2 Br/P3HT/Ag 简单构型 的器件 的 P CE 从 1 2.94% 提升到了 1 5.10% 。此外，添加 MXene 的 CsPbI 2 Br 薄膜 也 表现出改善的湿度稳定性 。鉴于该工艺的简便性和综合性能提高 的有效性 ， 相关研究为 提高基于 CsPbI 2 Br 的太阳电池的性能提供了一个有价值的策略。
图 1 给出了利用最小强度剥离法制备的单层 Ti 3 C 2 T x  MXene 纳米片的结构和形貌表征结果。从图 2 中可以看到， M X ene 的添加不仅增大了 CsPbI 2 Br 薄膜的晶粒尺寸、减少了晶界，而且降低了薄膜的表面粗糙度。通常情况下，具有大晶粒和光滑表面的钙钛矿薄膜具有较少的复合位点，从而有利于器件性能的提升 。
此外， 与 无 MXene 添加的 Cs P b I 2 B r 薄膜 相比， 添加 M X ene 纳米片后， CsPbI 2 Br 薄膜的结晶性和光吸收都有所提高（见图 3 ）。 器件的电流密度 - 电压（ J-V ）特性如图 4 所示，可以看出，通过添加适量的 MXene 纳米片，器件的光电转换效率得到明显的提高 —— 从未添加 MXene 纳米片的参考器件的 12.94% 提升至 15.10% 。而且，添加 MXene 纳米片对器件性能的提升具有良好的可重复性。
利用稳态光致发光（ P L ）、电化学阻抗谱（ E IS ）和空间电荷限制电流（ S CLC ）测试表征分析，作者研究了 M X ene 纳米片对 Cs P b I 2 B r 太阳电池 中光生载流子传输效率的影响。从图 5 中可以看出， M X ene 纳米片的添加可以降低 P L 峰的强度，这 归因于 MXene 纳米片作为一个有效的桥梁，可以促进电荷从 CsPbI 2 Br 到 SnO 2 的注入， 使得界面处 电荷提取增强，从而 减少 了 钙钛矿 层中的载流子 复合 ，提高了相关器件的 短路电流密度（ J sc ） 。 而且， M X ene 纳米片的添加降低薄膜的缺陷密度，同时抑制了载流子的复合。此外，研究发现添加 MXene 的 CsPbI 2 Br 薄膜的水接触角较大，这表明 MXene 的添加能够抑制环境中的水分进入到钙钛矿薄膜中，从而减缓由水引起的 CsPbI 2 Br 薄膜的相变。
进一步，作者利用 D FT 计算并结合紫外光电子能谱（ UPS ）技术，分析研究了 M X ene 纳米片添加对改善器件性能提升的其他机制。由于不同的功函数， M X ene 纳米片和 Cs P b I 2 B r 之间可形成肖特基结（见图 6 ），从而增强光生电子 - 空穴对的分离和输运，减少其复合 。
图 1   合成的 Ti 3 C 2 T x  MXene 的（ a ） X RD 谱、（ b ） S EM 和（ c ） TEM 图。

图 2  不同 Ti 3 C 2 T x  MXene 添加量的 CsPbI 2 Br 薄膜的 SEM （左）和 AFM 图（右）：（ a 、 a’ ） 无添加 ；（ b 、 b’ ） 0.25 wt% ；（ c 、 c’ ） 0.50 wt% ；（ d 、 d’ ） 0.75 wt% 。

 
图 3   （ a ） 不同 MXene 添加量的 Cs P b I 2 B r 薄膜的 XRD 图 ，（ b ）（ 1 00 ）衍射峰的半高宽（ F WHM ），（ c ） 吸 收 光谱和（ d ） Tauc 曲线 。

图 4  （ a ）器件结构；（ b ） AM 1.5 光照下的 J - V 曲线；（ c ） 外量子效率（ EQE ） 谱和积分电流；（ d ） PCE 的统计箱式图 。

  图 5  （ a ） 有无 Ti 3 C 2 T x  MXene 添加 的 CsPbI 2 Br 薄膜在 ITO/SnO 2 层上的稳态 PL 谱；（ b ） 有无 Ti 3 C 2 T x  MXene 添加 的器件在 1.0 V 偏压下的 Nyquist 曲线 （插图为器件的等效电路 图 ）；（ c ）未添加和（ d ）添加 Ti 3 C 2 T x  MXene 电子 输运 的 I - V 曲线（插图：器件结构）；（ e ）未添加和（ f ）添加了 Ti 3 C 2 T x  MXene 的 CsPbI 2 Br 薄膜的水接触角 测试 。

  图 6  （ a ） CsPbI 2 Br 和 （ b ） Ti 3 C 2 F-CsPbI 2 Br 的 能 带结构 （基于 DFT ）；（ c ） Ti 3 C 2 F-CsPbI 2 Br 的功函数（基于 DFT ）；（ d ）有无添加 MXen e 纳米片 的 CsPbI 2 Br 薄膜 的 UPS 能 谱 ；（ e ） Ti 3 C 2 F/CsPbI 2 Br 界面的 能带结构示意；（ f ）有无添加 MXen e 纳米片的 CsPbI 2 Br 层的 电子 - 空穴对的输运 示意。
原文链接 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c10417

作者简介

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栗军帅 ， 兰州大学材料与能源学院教授 、 博导。目前的主要研究方向包括新型太阳电池的器件物理、结构设计和原型器件开发，新型半导体材料 / 结构和相关器件等。迄今，在国际电子器件顶级会议 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) 、国际重要科技期刊 Small 、 Applied Physics Letters 、 Optics Letters 、 IEEE Electron Device Letters 、 IEEE Journal of Photovoltaics 、 Science China Materials 、 Nano Energy 、 Energy Storage Materials 等发表科技论文 120 余篇。同时，应 Springer-Verlag 等的邀请撰写书目章节 2 章 。 获授权专利 9 件。
李亚丽 ，兰州大学材料与能源学院副教授、 硕导。分别于 2000 年及 2003 年获得兰州大学半导体物理学士及凝聚态物理硕士学位， 2007 年获日本埼玉大学工学博士学位。 2007 年 4 月进入住友化学株式会社情报电子化学品研究所从事液晶显示器的光学部件研发工作。 2010 年 1 月加入南洋理工大学电气与电子工程系并与新加坡科学与发展局微电子所合作开展纳米太阳电池的研究工作。 2011 年 12 月至今在兰州大学从事教学科研工作 。

相关进展

华南理工孙大文教授课题组 CEJ：光增强固定于MXene纳米片上的溶菌酶活性用于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的杀菌应用

深圳大学张培新教授课题组 AFM：聚合物电解质内部MXene键合传输网络结构设计助力高性能固态锌金属电池

西南交大杨维清教授课题组 CEJ:用于柔性固态超级电容器的MXene/石墨炔纳米管复合膜

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