从金属性质到半导体性质，氧化Ti3C2Tx MXene作为电子传输层助力钙钛矿太阳能电池性能提升

【研究背景】

近年来，基于高导电性，亲水性和表面官能团可调节等性质，二维Ti₃C₂T_x MXene材料在钙钛矿太阳能电池领域展现出巨大应用潜力。通过对Ti₃C₂T_x MXene氧化程度的控制，可有效调节该材料的表面官能团和在电池结构中的能级适配度，从而提升其在低温制备钙钛矿太阳能电池的性能。利用Ti₃C₂T_x MXene及其氧化衍生物，可有效替代如TiO₂、ZnO等传统电子传输材料，为可低温制备、大面积、柔性光电器件等应用提供新选择。

【工作介绍】

近日，吉林大学王晓峰教授课题组通过对Ti₃C₂T_x MXene材料氧化程度的调控，发现了该材料由金属性质到半导体性质的转变，并基于此制备了以MXene材料单独作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池。随着Ti₃C₂T_x MXene氧化程度的提升，所制备薄膜缺陷逐渐减少，单独作为电子传输层与其他组分能级匹配越来越好，且DFT计算结果与实验数据具有较高的匹配度，最终实现了18.29%的光电转换效率。该研究成果以《Performance improvement of MXene-based perovskite solar cells upon property transition from metallic to semiconductive by oxidation of Ti₃C₂T_x in air》为题发表在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A。课题组博士生杨霖为本文第一作者，王晓峰教授为本文通讯作者。

【内容表述】

如图1所示，随着氧化程度的提升，Ti₃C₂T_x MXene的颜色逐渐变浅，高程度氧化后呈现出灰白色。对其进行形貌分析可以发现，随着氧化程度提高，表面生长出细小颗粒，最初的层状结构逐渐被破坏，同时旋涂制备薄膜的缺陷逐渐减少。高程度氧化材料和初始材料混合后，氧化颗粒和单片层均匀混合在一起，所制备薄膜几乎无缺陷。 

图1. 不同程度氧化的Ti₃C₂T_x形貌分析

图2所示为对不同程度氧化Ti₃C₂T_x的化学成分表征。低程度氧化时，材料仍会有7°左右的代表Ti₃C₂T_x的峰，但强度相对较弱。至高程度氧化后，Ti₃C₂T_x 7°峰消失，层状结构被破坏，所生成的颗粒为锐钛矿TiO₂和金红石TiO₂的混合相，与形貌表征结果相对应。 

图2. 对不同程度氧化Ti₃C₂T_x的化学成分表征

图3结果证实了随着氧化程度的提升，Ti-O逐渐增加的结果。同时证明了高程度氧化和原始层状材料的成功混合。 

图3. 用X射线光电子能谱对不同程度氧化的Ti₃C₂T_x进行分析

图4为电池结构和器件的光伏性能，从中可得高程度氧化Ti₃C₂T_x材料和原始层状材料混合后作为电子传输层可实现最高效率为18.29%。 

图4. 器件的电池结构和光伏性能

图5、图6对不同程度氧化的Ti₃C₂T_x进行了晶体结构模型搭建和能级的计算。结果表明，随着氧化程度的提升，材料的功函数会下降，并在高程度氧化时由金属性质转变为半导体性质。实验结果与计算结果在HOMO上高度匹配，表明了Ti₃C₂T_x氧化处理对其能级匹配度的有效调节。为Ti₃C₂T_x MXene的进一步应用拓宽了方向。 

图5. 不同程度氧化的Ti₃C₂T_x晶体结构模型搭建 

图6. 不同程度氧化的Ti₃C₂T_x态密度计算及电池能级示意图

【结论】

综上所述，Ti₃C₂T_x MXene氧化会在其表面产生更多的Ti-O键，并且有效减少了所制备薄膜的缺陷。对其进行结构模拟和能级计算，发现了其由金属性质到半导体性质的转变，从而达到了更佳的能级适配度。此外，复合材料电子迁移率的提高，电子传输层和钙钛矿层界面的电荷重组的减少，使器件的光电转换效率提升至18.29%，展现了Ti₃C₂T_x MXene的应用潜力，为可低温制备、大面积、柔性光电器件等应用提供了新的方向。

Yang, L.; Kan, D.; Dall’Agnese, C.; Dall’Agnese, Y.; Wang, B.; Jena, A.; Wei, Y.; Chen, G.; Wang, X.-F.; Gogosti, Y.; Miyasaka, T. Performance improvement of MXene-based perovskite solar cells upon property transition from metallic to semiconductive by oxidation of Ti₃C₂T_x in air, J. Mater. Chem. A. (2021) DOI:10.1039/D0TA11397B