吉林大学王晓峰等:MXene纳米片助力提升2D钙钛矿电池性能

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

与常规的三维钙钛矿相比,二维Ruddlesden-Pop型有机-无机金属卤化物钙钛矿器件展现了优异的环境稳定性,此外在制备工艺简单,能带结构可调和修饰三维钙钛矿界面的优势上均展现了应用于光伏器件的巨大前景。但是在载流子输运过程中,二维钙钛矿层间大的有机间隔阳离子极大地阻碍了电荷载流子的有效传输,因此二维钙钛矿薄膜垂直取向和优异的结晶性是实现其高效率的关键。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(Jsc)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

二维Ti₃C₂Tₓ MXene材料通过刻蚀原始材料Ti₃AlC₂ MAX粉末而获得,XRD图谱中(104)晶面的消失以及(002)晶面的左移表明Ti₃C₂Tₓ MXene的成功获得。通过进一步超声获得粒径约为200nm的纳米粒子后,以适量的浓度添加到钙钛矿的前驱体溶液中。

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。

II 二维钙钛矿薄膜的结晶性与光学性能分析

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。

图2. 对照组与最佳掺杂浓度薄膜表征(a) XRD图;(b) 紫外可见吸收光谱;PL谱图(c) 从薄膜顶部激发,(d) 从ITO侧激发;(e) TRPL图;(f) 薄膜内部不同相之间电荷载流子的传输示意图。
III 钙钛矿光伏器件性能表征

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。

图4. 对照组与最佳掺杂浓度薄膜的SEM图和AFM图。
为了进一步来说明Ti₃C₂Tₓ纳米片掺杂之后对器件性能的影响,研究了其相关的载流子动力学。图a中适量纳米片掺杂的器件表现出更接近1的理想因子,表明了更低的载流子复合;从图b中的电化学阻抗图谱中可以看出适量纳米片掺杂的器件拥有更小的Rtr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。

在最终制备的钙钛矿光伏器件中,Ti₃C₂Tₓ MXene纳米粒子掺杂的器件实现了15.71%的光电转化效率(PCE),相比于对照组(13.69%)PCE提高了13%,同时Ti₃C₂Tₓ MXene纳米粒子掺杂的器件展现了一个更佳的环境稳定性。

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。

作者简介

王晓峰

本文通讯作者

吉林大学 教授

主要研究领域

主要从事新型能源转换及储存相关的研究。

主要研究成果

至今共发表了包括Energy & Environ. Sci., J. Am. Chem. Soc., ACS Energy Lett., Adv. Func. Mater., Chem. Comm., Adv. Mater., J. Phys. Chem. C., Langmuir, J. Mater. Chem. A,ACS App. Mater. & Interfaces, J.Power Sources, ChemSusChem, Biosens. Bioelectron., Appl. Phys. Lett.等知名杂志在内的SCI论文100余篇,累计他引3000多次,H指数33。另外著有斯普林格,CRC Press等国外出版社专著各一章,获得已授权日本专利2项及中国发明专利多项。

Email: xf_wang@jlu.edu.cn

个人主页

teachers.jlu.edu.cn/WangXiaofeng/zh_CN/index.htm

靳昕(左) 硕士研究生

杨霖(右) 博士研究生

本文共同作者

主要研究领域

钙钛矿太阳能电池的界面、材料和器件工程。

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部

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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、PubMed Central、DOAJ、CSCD、知网、万方、维普、超星等数据库收录。2020 JCR影响因子IF=16.419,在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore=15.9,材料学科领域排名第4 (4/123)。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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