吉大王晓峰/孟醒、德雷塞尔大学Yury Gogotsi《CEJ》：Ti3C2Tx MXene调控染料敏化双钙钛矿太阳能电池

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研究背景

近年来，无机非铅Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿因其无毒、热稳定性高等优势受到广泛关注。然而，Cs₂AgBiBr₆较差的光吸收率、较大的带隙及较低的载流子迁移率，导致其器件的光电转换效率（PCEs）普遍低于3%。因此，制备高质量Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿薄膜、提升双钙钛矿层的光吸收能力和载流子迁移率对提升器件性能具有重要意义。
鉴于此，吉林大学王晓峰&孟醒课题组与美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi课题组于《Chemical Engineering Journal》期刊上发表了题为“Performance Improvement of Dye-Sensitized Double Perovskite Solar Cells by Adding Ti₃C₂T_x MXene”的文章。为了改善Cs₂AgBiBr₆双钙钛光吸收能力差和载流子迁移率低等问题，该课题组设计了D149吲哚染料敏化的双钙钛矿太阳能电池体系，并引入高导电性Ti₃C₂T_x MXene纳米片来调控Cs₂AgBiBr₆薄膜的结晶。在光吸收范围及强度得到提升的同时，Cs₂AgBiBr₆的载流子迁移率得到有效改善，所制备器件的短路电流密度得到由3.15 mA/cm²到8.85 mA/cm²的显著增强。此外，该工作对Cs₂AgBiBr₆和Ti₃C₂T_x界面特性和电子结构进行了计算。二者界面之间的范德华力保持了Cs₂AgBiBr₆原有的半导体特性，同时有效削弱了费米钉扎（FLP）。高功函数的Ti₃C₂T_x数可调节Cs₂AgBiBr₆的价带穿过其费米级，因而提高载流子的迁移率。最终，在1标准太阳光下，器件实现了最佳4.47%的PCE，在200lux的室内光照下实现了最佳7.23%的PCE。此外，这项工作在证明Ti₃C₂T_x在双钙钛矿太阳能电池中巨大潜力的同时，还预测了其他具有更高功函数的MXene材料的进一步应用，为双钙钛矿太阳能电池的进一步发展提供了新思路。 

研究内容

 

图1. （a）Ti₃C₂T_x的合成过程示意图，（b）Ti₃AlC₂和Ti₃C₂T_x薄膜的XRD图像，Ti₃C₂T_x纳米片的（c）SEM和(d)TEM图像。    通过XRD及SEM等测试手段，验证了Ti₃C₂T_x纳米片对Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿结晶的调控作用。

图2. （a）不同浓度的Ti₃C₂T_x掺杂的Cs₂AgBiBr₆薄膜的紫外-可见光吸收光谱、（b）XRD图像及其（c）(220) 衍射峰的FWHM。（d-h）不同浓度的Ti₃C₂T_x掺杂的Cs₂AgBiBr₆薄膜的SEM图像，及（i-m）相应的晶粒大小分布。     原始Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿器件的光响应范围在300 nm到500 nm之间，D149染料的光响应范围可到约670 nm。当二者结合时，D149染料有效弥补了Cs₂AgBiBr₆光响应范围不足的缺点，在光响应强度增加的同时，其响应范围进一步扩展到700 nm，该结果证实了Cs₂AgBiBr₆及D149 共同对于光电流的贡献。在引入Ti₃C₂T_x后，相应的EQE强度得以进一步提升，从而导致器件J_sc的进一步增加，最终表现出8.85 mA/cm²的高电流密度，实现了最佳4.47%的光电转换效率。 
图3. （a）D149吲哚啉染料敏化的TiO₂的示意图和D149的分子结构，（b）所制备器件结构，（c）器件的J-V曲线（d）及其相应的EQE曲线，（e）不同浓度Ti₃C₂T_x掺杂器件的J-V曲线，（f）器件的能级图。 Ti₃C₂T_x的引入可有效降低Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿薄膜的缺陷态密度，在增加其导电性的同时，减少了载流子复合，从而提升器件性能。 
图4. （a）D149染料敏化前后及Ti₃C₂T_x掺杂前后的Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿薄膜稳态的PL光谱，（b）相应器件的电化学阻抗图谱，（c）开路电压随光强变化曲线，（d）仅有电子传输层的暗态J-V曲线。（f）器件的光电参数箱式图。     Ti₃C₂T_x与Cs₂AgBiBr₆的异质结构的电子局域函数、差分电荷密度及平面差分密度结果证实了二者之间微弱的范德瓦尔斯相互作用。通常来讲，半导体与金属材料之间形成的异质结构会导致强烈的费米钉扎效应，由于界面之间强烈的相互作用，会严重破坏半导体带隙。这将使异质结中半导体的能带位置变得难以调控，从而产生较大的肖特基势垒，从而影响异质结构中载流子的迁移，且受到影响的带隙还会影响材料对光的吸收效率。尽管如此，由于Cs₂AgBiBr₆（001）@Ti₃C₂O₂弱的范德瓦尔斯相互作用，其半导体性质被保留了下来，同时费米钉扎效应也被大大削弱。此外，从能带结构上看，Cs₂AgBiBr₆（001）在保持原有的半导体性质的同时，其价带顶部穿过了费米能级并向上移动了0.452 eV。其价带高于费米能级有利于载流子在异质结中的迁移，从而解释了器件性能提高的内在原因。 
图5. Cs₂AgBiBr₆ (001)@Ti₃C₂O₂异质结的（a）晶体结构，（b）电子局域函数和（c）差分电荷密度，（d）平面差分密度图。（e）Cs₂AgBiBr₆ (001)@Ti₃C₂O₂异质结的能带结构和（f）投影态密度计算。 
图6. 器件的稳定性测试
 原文链接https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136963

作者简介

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论文第一作者为吉林大学物理学院博士研究生杨霖和硕士研究生侯鹏飞，论文通讯作者为吉林大学王晓峰教授、孟醒副教授和美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授。吉林大学物理学院为论文第一单位。

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