暨南大学唐群委等人Adv. Sci.：MXenes助力CsPbBr3钙钛矿太阳能电池效率达11.08%，开路电压1.702V

引言

钙钛矿太阳能电池问世以来，其光电转换效率已从最初的3.8%提升至25.6%，但较差器件的稳定性却成为进一步商业化的瓶颈之一。与有机-无机杂化钙钛矿相比，全无机CsPbBr₃钙钛矿具有非常优异的湿、热、光照稳定性，是目前常规钙钛矿光伏材料中最为优异的材料之一。然而，该类钙钛矿的禁带宽度较大，同时由于钙钛矿的软晶格特性往往会在表面形成大量的缺陷态，造成器件内部的电荷损耗，不利于电池效率的提升。与有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池相比，全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池的电压损失尤为严重，高达0.6 V。因此，如何有效地减少界面缺陷态、减小开路电压损失是全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池性能进一步提升瓶颈问题。

成果简介

近日，暨南大学唐群委教授团队围绕上述问题通过合成Cl原子端基化的2D Ti₃C₂ MXenes材料，并将其作为添加剂引入到钙钛矿薄膜的表面以及内部当中，获得了1.702 V的开路电压，同时将电池效率提升至11.08%。通过系统的测试发现，由于端基Cl元素与钙钛矿薄膜的Pb元素的相互作用，Ti₃C₂Cl_x能够有效地调控钙钛矿薄膜的生长动力学过程，提升薄膜的质量，同时钝化薄膜中的缺陷态；其次，较强的Cl-Pb键能够将Ti₃C₂Cl_x铆钉在钙钛矿薄膜的表面，阻碍钙钛矿软晶格的膨胀以及收缩过程，大幅度降低器件内部的残余应力。相关成果以题目“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”发表在国际权威刊物杂志Advanced Science上，周青伟博士后为文章的第一作者，段加龙副研究员和唐群委教授为文章的共同通讯作者。

图文简介

图一 全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池的光伏性能

（a）Ti₃C₂Cl_x的结构示意图。

（b）块体Ti₃AlC₂和层状Ti₃C₂Cl_x的XRD图谱。

（c）Ti₃C₂Cl_x的XPS图谱。

（b,e）全无机CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池的结构示意图和SEM截面图。

（f）Ti₃C₂Cl_x优化前后电池器件的J-V曲线。

（g）Ti₃C₂Cl_x优化前后电池器件的稳态输出。

（h）Ti₃C₂Cl_x优化前后电池器件的IPCE曲线。

（i）Ti₃C₂Cl_x优化前后电池器件的效率分布图。

图二 钙钛矿薄膜与Ti₃C₂Cl_x的相互作用

（a）未掺杂以及（b）掺杂Ti₃C₂Cl_x的PbBr₂薄膜的SEM图。

（c）未掺杂以及（d）掺杂Ti₃C₂Cl_x的CsPbBr₃薄膜的SEM图。

（e）未掺杂以及掺杂Ti₃C₂Cl_x的CsPbBr₃薄膜的XRD图。

（f）未掺杂以及掺杂Ti₃C₂Cl_x的CsPbBr₃薄膜的Pb 4f XPS图谱。

（g）钙钛矿薄膜与Ti₃C₂Cl_x的相互作用示意图。

图三 钙钛矿薄膜的残余应力表征

（a-c）未掺杂以及掺杂Ti₃C₂Cl_x的CsPbBr₃薄膜的拉曼mapping测试。

（d-f）掺杂以及掺杂Ti₃C₂Cl_x的CsPbBr₃薄膜的GIXRD表征。

（g,h）钙钛矿薄膜内部应力的释放机制。

图四 器件的载流子复合机制的表征

（a-c）钙钛矿薄膜瞬态光电压的表征。

（d,e）不同钙钛矿薄膜的KPFM表征。

（f）钙钛矿薄膜的SCLC测试。

（g）钙钛矿薄膜的TRPL测试。

（h）钙钛矿太阳能电池器件的暗电流测试。

（i）电池器件的内建电场测试。

图五 电池的稳定性能

（a）器件在高湿度环境下（25 ^oC, 80% RH）的长期稳定性。

（b）器件在高温环境下（85 ^oC, 40% RH）的长期稳定性。

该研究得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金杰出青年基金项目、广东省基础与应用基础研究基金区域联合基金、广州市基础与应用基础研究项目、中央高校基本科研专项资金的支持。

原文链接：

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

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