学术报告
作者、机构、期刊信息
本文由 Jiankai Zhang, Chengwen Huang, Yapeng Sun 和 Huangzhong Yu 等作者完成，隶属于 South China University of Technology（华南理工大学）的物理与光电子学院。研究成果发表在《Advanced Functional Materials》（《Adv. Funct. Mater.》）期刊，出版时间为 2022 年，DOI 为 10.1002/adfm.202113367。
研究背景
钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PVSCs）因其高光电转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）、低制造成本以及易于加工的优势，被认为是下一代太阳能电池的重大候选技术。尽管基于钙钛矿的光伏器件已经在实验室测试中实现了高达 25.7% 的认证转换效率，但其稳定性以及电荷传输层（Charge Transport Layers, CTL）性能的制约仍阻碍了其商业化进程。
目前广泛使用的钛酸钙 (TiO₂) 和二氧化锡 (SnO₂) 等电子传输层 (Electron Transport Layers, ETL) 存在高烧结温度、纳米颗粒自发团聚以及柔性器件弯曲性能差等不足。因此，开发具有良好光电性能并与钙钛矿层能级匹配的全新材料，是推动钙钛矿电池商业化的重要研究方向。本研究聚焦于一种新兴的二维材料 MXene，特别是其基于铌碳化物（Nb₂C）的家族成员 Nb₂CTx。这种材料因其表面基团的多样性、可调节的光电性能以及易于加工制造的特性，展现出在光伏领域的应用潜力。
研究的主要目标是通过改性 Nb₂CTx MXene（氨基功能化，即在其表面引入 -NH₂）优化其能级结构和光电性能，以其作为电子传输层和钙钛矿晶体添加剂，从而提升全无甲胺钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。
实验流程
材料制备
- Nb₂CTx MXene 的制备和氨基功能化：
- 使用 HF 液腐蚀 Nb₂AlC 陶瓷粉，去除其中的 Al 层以制备 Nb₂CTx。
- 采用 N₂H₄（肼）对制备的 Nb₂CTx 进行改性，替换 Nb₂CTx 表面的 -F 基团为 -NH₂ 基团。通过 TEM 和 AFM 测量证实改性的 Nb₂CTx 具有典型的二维片层结构，厚度约为 2nm。
性能表征
光电子能级分析：
- 使用 UPS 和 XPS 测量表面改性对 Nb₂CTx 工作函数 (Work Function, WF) 的影响。研究发现，通过肼处理，Nb₂CTx 的 WF 从 4.65 eV 降至 4.32 eV。
钙钛矿薄膜制备及成核控制：
- 将氨基功能化的 Nb₂CTx 纳米片作为钙钛矿前驱体中的添加剂，通过与碘离子形成氢键，减缓钙钛矿晶体化过程，促进钙钛矿薄膜的有序生长与高质量成膜。
器件制备
器件组装：
- 制备了三种不同结构的钙钛矿太阳能电池：
- Type A: 使用未经改性的 Nb₂CTx 作为 ETL；
- Type B: 使用氨基功能化的 Nb₂CTx 作为 ETL；
- Type C: 在 Type B 的基础上，将氨基功能化的 Nb₂CTx 纳米片作为晶体添加剂。
光电性能测试：
- 测试包括 J-V 曲线，EQE 光谱及 Nyquist 阻抗图等。
- 使用 UPS 和 GIWAXS 表征能级匹配与薄膜晶体结构。
实验结果
Nb₂CTx 氨基改性后的表面特性：
- 表面基团从 -F 转化为 -NH₂ 会显著降低 Nb₂CTx MXene 的 WF，对应形成更优的能级匹配。
- UPS 测试显示，经 N₂H₄ 处理 12 小时的 Nb₂CTx WF 达到 4.32 eV，与钙钛矿导带最小能量差调整至 0.42 eV。
钙钛矿薄膜改性效应：
- 氨基基团通过氢键减缓了晶体化过程，引导晶粒增大（平均达到 468nm）并促进薄膜有序生长。
- XRD、GIWAXS 和 SEM 结果显示，掺杂 Nb₂CTx 纳米片的钙钛矿薄膜具有更优异的结晶度和更规整的晶体取向。
光伏器件性能提升：
- Type C 器件获得了最高 PCE 值 21.79%，柔性器件及大面积器件分别达到 19.15% 和 18.31%。
- 加入 Nb₂CTx 添加剂后电子电洞复合明显减少，Jsc 升高，电荷转移阻抗降低；同时大幅削弱界面缺陷态密度。
稳定性改进：
- 未封装 Type C 器件在储存 1500 小时后仍保持 93% 的初始效率；在湿度下明显延缓钙钛矿降解趋势。
- 热稳定性测试表明，Nb₂CTx 纳米片通过其表面 -NH₂ 基团有效抑制了 I⁻ 的迁移。
研究结论与意义
本文创新性地实现了 Nb₂CTx 的氨基功能化，显著改良了材料的能级匹配和光电性能，成功应用于钙钛矿太阳能电池的电子传输层与薄膜添加剂。最终优化器件的 PCE 达到 21.79%，并展现出良好的长期稳定性与柔性应用前景。这一研究不仅扩展了 MXene 的应用领域，也为未来高性能、稳定钙钛矿电池的设计提供了重要的科学指导和技术借鉴。
研究亮点
- 成功开发了氨基功能化的 Nb₂CTx MXene，以显著降低其工作函数，实现与钙钛矿层的优良能级匹配。
- 通过 -NH₂ 基团与碘离子的氢键作用，调控了钙钛矿薄膜的晶体生长，提高了其质量与结晶取向。
- 为柔性和大面积钙钛矿太阳能电池的产业化提供了全新的低成本、易加工的新材料方案。
该研究表明，两种创新用途（电子传输层与添加剂）使 Nb₂CTx MXene 展现出在光电子器件领域中的巨大潜力，尤其在高效、低成本太阳能电池研发中具有重要的推广意义。