暨南大學唐群委等人Adv. Sci.：MXenes助力CsPbBr3鈣鈦礦太陽能電池效率達11.08%，開路電壓1.702V

引言

鈣鈦礦太陽能電池問世以來，其光電轉換效率已從最初的3.8%提升至25.6%，但較差器件的穩定性卻成為進一步商業化的瓶頸之一。與有機-無機雜化鈣鈦礦相比，全無機CsPbBr₃鈣鈦礦具有非常優異的濕、熱、光照穩定性，是目前常規鈣鈦礦光伏材料中最為優異的材料之一。然而，該類鈣鈦礦的禁帶寬度較大，同時由于鈣鈦礦的軟晶格特性往往會在表面形成大量的缺陷態，造成器件內部的電荷損耗，不利于電池效率的提升。與有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池相比，全無機CsPbBr₃鈣鈦礦太陽能電池的電壓損失尤為嚴重，高達0.6 V。因此，如何有效地減少界面缺陷態、減小開路電壓損失是全無機CsPbBr₃鈣鈦礦太陽能電池性能進一步提升瓶頸問題。

成果簡介

近日，暨南大學唐群委教授團隊圍繞上述問題通過合成Cl原子端基化的2D Ti₃C₂?MXenes材料，并將其作為添加劑引入到鈣鈦礦薄膜的表面以及內部當中，獲得了1.702 V的開路電壓，同時將電池效率提升至11.08%。通過系統的測試發現，由于端基Cl元素與鈣鈦礦薄膜的Pb元素的相互作用，Ti₃C₂Cl_x能夠有效地調控鈣鈦礦薄膜的生長動力學過程，提升薄膜的質量，同時鈍化薄膜中的缺陷態；其次，較強的Cl-Pb鍵能夠將Ti₃C₂Cl_x鉚釘在鈣鈦礦薄膜的表面，阻礙鈣鈦礦軟晶格的膨脹以及收縮過程，大幅度降低器件內部的殘余應力。相關成果以題目“Tailored Lattice “Tape” to Confine Tensile Interface for 11.08%-Efficiency All-Inorganic CsPbBr₃?Perovskite Solar Cell with an Ultrahigh Voltage of 1.702 V”發表在國際權威刊物雜志Advanced Science上，周青偉博士后為文章的第一作者，段加龍副研究員和唐群委教授為文章的共同通訊作者。

圖文簡介

圖一 全無機CsPbBr₃鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能

（a）Ti₃C₂Cl_x的結構示意圖。

（b）塊體Ti₃AlC₂和層狀Ti₃C₂Cl_x的XRD圖譜。

（c）Ti₃C₂Cl_x的XPS圖譜。

（b,e）全無機CsPbBr₃鈣鈦礦太陽能電池的結構示意圖和SEM截面圖。

（f）Ti₃C₂Cl_x優化前后電池器件的J-V曲線。

（g）Ti₃C₂Cl_x優化前后電池器件的穩態輸出。

（h）Ti₃C₂Cl_x優化前后電池器件的IPCE曲線。

（i）Ti₃C₂Cl_x優化前后電池器件的效率分布圖。

圖二?鈣鈦礦薄膜與Ti₃C₂Cl_x的相互作用

（a）未摻雜以及（b）摻雜Ti₃C₂Cl_x的PbBr₂薄膜的SEM圖。

（c）未摻雜以及（d）摻雜Ti₃C₂Cl_x的CsPbBr₃薄膜的SEM圖。

（e）未摻雜以及摻雜Ti₃C₂Cl_x的CsPbBr₃薄膜的XRD圖。

（f）未摻雜以及摻雜Ti₃C₂Cl_x的CsPbBr₃薄膜的Pb 4f XPS圖譜。

（g）鈣鈦礦薄膜與Ti₃C₂Cl_x的相互作用示意圖。

圖三?鈣鈦礦薄膜的殘余應力表征

（a-c）未摻雜以及摻雜Ti₃C₂Cl_x的CsPbBr₃薄膜的拉曼mapping測試。

（d-f）摻雜以及摻雜Ti₃C₂Cl_x的CsPbBr₃薄膜的GIXRD表征。

（g,h）鈣鈦礦薄膜內部應力的釋放機制。

圖四?器件的載流子復合機制的表征

（a-c）鈣鈦礦薄膜瞬態光電壓的表征。

（d,e）不同鈣鈦礦薄膜的KPFM表征。

（f）鈣鈦礦薄膜的SCLC測試。

（g）鈣鈦礦薄膜的TRPL測試。

（h）鈣鈦礦太陽能電池器件的暗電流測試。

（i）電池器件的內建電場測試。

圖五?電池的穩定性能

（a）器件在高濕度環境下（25 ^oC, 80% RH）的長期穩定性。

（b）器件在高溫環境下（85 ^oC, 40% RH）的長期穩定性。

該研究得到國家自然科學基金、廣東省自然科學基金杰出青年基金項目、廣東省基礎與應用基礎研究基金區域聯合基金、廣州市基礎與應用基礎研究項目、中央高校基本科研專項資金的支持。

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202101418

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