综述:MXenes在太阳电池中的应用

MXenes for Solar Cells

Lujie Yin, Yingtao Li, Xincheng Yao, Yanzhou Wang, Lin Jia, Qiming Liu, Junshuai Li*, Yali Li*, Deyan He

Nano-Micro Letters (2021)13: 78

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00604-8

本文亮点

1总结了MXenes在光伏领域应用取得的进展。
2. 讨论了提高相关太阳电池性能需要解决的问题
3. 提出了推动MXenes在太阳电池中应用探索的建议
内容简介

MXenes是一类重要的二维材料,目前已有30多种被合成出来,并应用于能源存储、生物医学、传感器、催化剂、电磁屏蔽、水净化等领域。其中,Ti₃C₂T MXene具有高的电导率、电子迁移率和光透过率以及可调的功函数等重要性能,在光电器件中的应用受到越来越多的关注。为了深入理解Ti₃C₂T MXene在光伏领域中应用取得的进展,同时为今后的发展提供有价值的建议,本论文将围绕已报道的研究成果进行系统全面的分析总结,并对存在的问题展开细致深入的讨论。兰州大学贺德衍和栗军帅课题组对MXenes在太阳电池中的应用进行了系统全面的总结,对存在的问题进行了深入细致的讨论,提出了解决策略,并对该领域未来的发展进行了展望。

图文导读

I MXenes作为钙钛矿材料和载流子传输层材料的添加剂
2018年,Guo等人首次将Ti₃C₂T MXene应用于钙钛矿太阳电池中,开启了MXenes在光伏领域中的应用研究。实验发现将Ti₃C₂T添加到MAPbI₃ (MA: CH₃NH₃)层中,可以减缓材料的成核过程,从而有利于改善晶粒尺寸。同时,添加的Ti₃C₂T可以起到“载流子桥”的作用,加速电荷转移,从而减小其复合。Ti₃C₂T的添加使电池的能量转换效率从15.18%提高到了16.80%。2020年,Chen等人用Ti₃C₂T量子点来修饰CsFAMA (FA: CH(NH₂)₂)层,改善了薄膜的结晶性,同时使钙钛矿层与电子传输层的界面能带更匹配,使得太阳电池效率从18.31%提高到了20.72%。同年,Ge等人将Ti₃C₂T量子点添加到MAPbI₃钙钛矿层中,提高了薄膜的结晶性和光吸收,使太阳电池效率从12.0%提高到了16.0%。除了将MXenes作为钙钛矿材料的添加剂外,将MXenes添加到载流子传输层材料中也可以提高太阳电池的性能。Ge等人进一步将Ti₃C₂T纳米片添加到TiO₂电子传输层中,提高了的电子迁移率,使太阳电池效率进一步提升至17.1%。2019年,Yang等人向SnO₂电子传输层中添加了1.0 wt‰ Ti₃C₂T,优化了能级匹配,使MAPbI₃基钙钛矿太阳电池效率从17.23%提升到18.34%。2020年,Huang等人利用SnO₂、TiO₂和Ti₃C₂T制备了多维导电异质结结构来作为电子传输层,优化了能级匹配,使(FAPbI₃)₀.₉₇(MAPbBr₃)₀.₀₃基钙钛矿太阳电池效率从16.83%提升到19.14%。如图1所示,2019年,Hou等人将Ti₃C₂T添加到PEDOT:PSS中,增加了PEDOT纳米晶之间的电荷转移通道,同时改善了PEDOT的结构。将Ti₃C₂T修饰的PEDOT:PSS作为空穴传输层分别应用于PBDB-T:ITIC和PM6:Y6体系的有机太阳电池中,效率分别从9.72%、13.10%提高到11.02%、14.55%。后来,该课题组又将Ti₃C₂T添加到ZnO中,同样增加了ZnO纳米晶的电荷传输通道,并钝化了ZnO表面。将Ti₃C₂T修饰的ZnO作为电子传输层分别应用于PBDB-T:ITIC、PM6:Y6和PTB7:PC₇₁BM体系的有机太阳电池中,效率分别从10.56%,14.99%和8.18%提高到12.20%,16.51%和9.36%。
图1. (a) 将Ti₃C₂T纳米片添加到PEDOT:PSS中修饰其形貌和结构的示意图;(b) PEDOT:PSS的电导率和Ti₃C₂T添加量的关系;Ti₃C₂T改性的PEDOT:PSS作为空穴传输层应用于有机太阳电池的(c) 结构示意图和(d) 各组分的能级图;(e) 相应器件的稳定性测试图;Ti₃C₂T改性的ZnO作为电子传输层应用于有机太阳电池的(c) 结构示意图和(d) 各组分的能级图;(e) 相应器件的稳定性测试图。
II MXenes作为太阳电池的电极
Ti₃C₂T可实现高的电导率(目前报道最高可达15100 S cm⁻¹),同时具有高的光透过率、柔性、可调功函数等性能,使Ti₃C₂T适合用作太阳电池的电极。2019年,Gao等人用Ti₃C₂T作为MAPbI₃基钙钛矿太阳电池的背电极(见图2),效率达到13.83%,比碳基背电极器件的效率高27.2%。2020年,Mi等人用商业碳糊、碳纳米管和Ti₃C₂T制备了复合电极应用于CsPbBr₃基钙钛矿太阳电池,性能优于未使用Ti₃C₂T的器件。2019年,Tang等人制备了Ti₃C₂T/银纳米线透明柔性电极,应用于PBDB-T:ITIC:PC₃BM体系的柔性有机太阳电池中,获得了8.30%的效率。2020年,Qin等人利用Ti₃C₂T作为共同电极制备出一种半透明柔性光伏超级电容器复合器件,其中利用Ti₃C₂T作为透明电极的柔性有机太阳电池的效率达到了13.6%;复合器件的最大储能效率和总体能量效率分别达88%和2.2%。2019年,Fu等人利用Ti₃C₂T作为n⁺-n-p⁺硅太阳电池的背电极,实现了11.5%的效率。同年,Yu等人利用Ti₃C₂T作为透明导电电极,在n型单晶硅上制备出了一种新型的异质结太阳电池,经过两步化学处理(HCl和AuCl₃处理)并引入PDMS减反射层后,实现了10.22%的电池效率。此外,Ti₃C₂T还可以与其他材料复合作为量子点敏化太阳电池的参比电极。2019年,Chen等人利用CuSe/Ti₃C₂T复合电极,实现了效率5.12%的量子点敏化太阳电池的制备。类似的,2020年,Tian等人利用CuS/Ti₃C₂T复合电极在量子点敏化太阳电池中实现了5.11%的效率。以上器件性能的改善归因于Ti₃C₂T的使用增加了参比电极的导电性和活性位点。
图2. (a) 热压法制备Ti₃C₂T背电极的过程示意;使用Ti₃C₂T作为背电极的MAPbI₃基钙钛矿太阳电池的(b) 断面SEM图和(c) 各组分的能级图;使用商业碳糊、碳纳米管、MXene复合电极的CsPbBr₃基钙钛矿太阳电池的(d) 结构图、表面以及断面SEM图和(c) 不同电极器件的J-V曲线。
III MXenes作为太阳电池的载流子传输层
由于MXenes拥有可调的功函数,所以可以在太阳电池中充当载流子传输层。理论上,通过精确地调整Ti₃C₂T的官能团,Ti₃C₂T的功函数可以在1.6-6.2 eV之间调节。目前实验上报道的Ti₃C₂T的功函数在3.4 eV到5.7 eV之间。如图3所示,2019年,Chen等在CsPbBr3层和碳电极之间插入了一层Ti₃C₂T,阻挡了电子的传输,同时钝化钙钛矿晶粒,获得了9.01%的太阳电池效率。同年,Yang等人利用紫外-臭氧(ultraviolet-ozone,UV-O₃)处理Ti₃C₂T,使Ti₃C₂T的功函数从5.52 eV增加到5.62 eV;将UV-O₃处理的Ti₃C₂T作为电子传输层应用于MAPbI₃基钙钛矿太阳电池中,获得了17.17%的效率。2020年,Wang等人将Ti₃C₂T层插入到FTO电极和SnO₂电子传输层之间,促进了电子传输,使钙钛矿太阳电池的效率达到了20.65%。2019年,Yu等人发现UV-O₃处理可以提高Ti₃C₂T功函数至4.95 eV,N₂H₄处理可以降低Ti₃C₂T功函数至4.08 eV。该团队发现这种不同功函数的Ti₃C₂T在PBDB-T:ITIC体系有机太阳电池中既可以作为空穴传输层,又可以作为电子传输层。同年,Hou等人也在PBDB-T:ITIC体系有机太阳电池中将Ti₃C₂T作为空穴传输层。2019年,Agresti等人利用添加Ti₃C₂T的方法来调节MAPbI₃层和TiO₂电子传输层的功函数,同时也在MAPbI₃层和TiO₂层之间插入Ti₃C₂T层进行界面修饰,使钙钛矿太阳电池的效率达到20.14%,该团队对其中的机理也进行了深入研究。
图3. 使用Ti₃C₂T作为空穴传输层的CsPbBr₃基钙钛矿太阳电池的(a) 断面SEM图和(b) 各组分的能级图以及(c) 光照下的能带图;UV-O₃处理的Ti₃C₂T在MAPbI₃基钙钛矿太阳电池中作为电子传输层:(d) 结构图,(e) 断面SEM图和(f) 能带图;Ti₃C₂T在钙钛矿太阳电池中作为电子传输层:(g) 结构图,(h) 能级图和(i) 断面SEM图(左),基于第一性原理优化的SnO₂/Ti₃C₂(OH)₂的结构和电子密度差异(右上),电流传输效能空间分布情况(右下)。
MXenes在太阳电池中不同应用的功能或性质的总结
总结与展望
本综述总结了2018-2020年MXenes在太阳电池中的应用。MXenes作为添加剂、电极和载流子传输层应用于钙钛矿太阳电池、有机太阳电池、晶硅太阳电池和染料敏化太阳电池。表1总结了MXenes在太阳电池中不同应用的功能或性质。
未来的工作可以从以下几个方面展开:(1)基于理论和实验研究Ti₃C₂T MXene官能团对太阳电池的影响;(2)利用界面优化和光管理结构等来进一步提高电池的性能;(3)开发柔性MXenes基光伏器件;(4)新型多功能集成(换能-储能-用能)器件;(5)开展其他类型的MXenes在太阳电池中的应用研究。
作者简介

栗军帅

本文通讯作者

兰州大学 教授

主要研究领域

新型太阳电池的器件物理、结构设计和原型器件开发,新型半导体材料和相关器件等。

主要研究成果

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Applied Physics Letters、Optics Letters、IEEE-Electron Device Letters、Small、Nano Energy等发表科技论文100余篇。同时,应出版商Springer-Verlag等的邀请撰写书目章节2章。

Email: jshli@lzu.edu.cn

个人主页

http://210.26.51.247:8082/system/phyqt/content.jsp?id=51

尹鲁杰

本文第一作者

兰州大学 硕士研究生

主要研究领域

MXenes在硅基太阳电池中的应用。

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2020 JCR影响因子:12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore:12.9,材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。
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