综述：MXenes在太阳电池中的应用

点击蓝字

关注我们

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，Ti₃C₂Tₓ 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Ti₃C₂Tₓ 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。

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

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Ti₃C₂Tₓ 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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ可以起到“载流子桥”的作用，加速电荷转移，从而减小其复合。Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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‰ Ti₃C₂Tₓ，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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ添加量的关系；Ti₃C₂Tₓ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；Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ适合用作太阳电池的电极。2019年，Gao等人用Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ的器件。2019年，Tang等人制备了Ti₃C₂Tₓ/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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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，Ti₃C₂Tₓ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/Ti₃C₂Tₓ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/Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ背电极的过程示意；使用Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ的官能团，Ti₃C₂Tₓ的功函数可以在1.6-6.2 eV之间调节。目前实验上报道的Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ，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Ti₃C₂Tₓ，使Ti₃C₂Tₓ的功函数从5.52 eV增加到5.62 eV；将UV-O₃处理的Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ功函数至4.95 eV，N₂H₄处理可以降低Ti₃C₂Tₓ功函数至4.08 eV。该团队发现这种不同功函数的Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ作为空穴传输层。2019年，Agresti等人利用添加Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ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；Ti₃C₂Tₓ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Ti₃C₂Tₓ 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: [e-mail]

▍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。

E-mail：[e-mail]

Tel：[phone]

扫描上方二维码关注我们

点击阅读原文在Springer免费获取全文