含于MXene的鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)25.13%的效率

中國的一個研究小組聲稱，在基于鈣鈦礦吸收層的太陽能電池中實現(xiàn)了卓越的效率和穩(wěn)定性，其中含有 MXene，MXene 是一種新型二維材料，以其優(yōu)異的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱彈性而聞名。據(jù)報道，該器件在500小時后仍保留了 80% 的初始效率。

圖片來源：電子科技大學(xué) Nano-Micro Letters

中國電子科技大學(xué)（UESTC）的研究人員制造了一種基于鈣鈦礦光吸收層的太陽能電池，該電池結(jié)合了二維碳化鈦（Ti3C2TX），也稱為MXene。

MXene 化合物因其類似石墨烯的形態(tài)而得名，是通過從稱為 MAX 的塊狀晶體中選擇性蝕刻某些原子層制成。最近，這些材料因其獨特的光電特性而顯示出用于光伏技術(shù)的前景，例如其大載流子遷移率、優(yōu)異的金屬導(dǎo)電性、高透光率、 和可調(diào)功函數(shù) （WF）。

“這些多功能優(yōu)勢凸顯了巨大潛力，3C2TX用于構(gòu)建鈣鈦礦太陽能電池，不僅具有高功率轉(zhuǎn)換效率，而且具有出色的熱穩(wěn)定性，“科學(xué)家們解釋說，并指出，當 Ti3C2TX納米片嵌入鈣鈦礦層中，作為多功能添加劑，同時增強散熱和光電性能。

該電池由玻璃和氧化銦錫（ITO）制成的襯底、基于二氧化錫（SnO2）的電子傳輸層（ETL）、結(jié)合Ti3C2Tx的鈣鈦礦吸收層、依賴Spiro-OMeTAD的空穴傳輸層（HTL）和金（Au）金屬電極構(gòu)建。

由于采用了 Ti3C2TX，鈣鈦礦薄膜的厚度僅為 15.2 nm，而未經(jīng) Ti3C2Tx 處理的鈣鈦礦薄膜的厚度為 24.9 nm。這轉(zhuǎn)化為吸收層的形態(tài)和表面光滑度的改善，進而形成有效的熱傳導(dǎo)途徑。

“這種形貌的改善可歸因于Ti3C2TX優(yōu)異的傳熱能力，為晶粒均勻生長提供了穩(wěn)定的熱場，從而擴大了晶粒尺寸，“研究團隊強調(diào)說?！昂蠺i3C2TX 鈣鈦礦膜層與對照膜相比，改性鈣鈦礦膜在可見光區(qū)域表現(xiàn)出更強的吸收。

通過能量色散光譜（EDS），研究團隊驗證了Ti在整個鈣鈦礦薄膜中均勻分布，這種方式可以作為熱傳導(dǎo)途徑，在晶界處起到缺陷鈍化劑的作用。X 射線光電子能譜 （XPS） 也證實 Ti3C2TX有助于鈣鈦礦吸收體晶界處電子的局部重新分布。

在標準光照條件下進行測試，太陽能電池實現(xiàn)了25.13%的功率轉(zhuǎn)換效率，開路電壓為1.177 V，短路電流密度為25.29 mA/cm2，填充系數(shù)為 84.4%，而沒有 Mxene 納米片的參考太陽能電池達到了 23.70%、1.145 V、25.18 mA/cm2 的值和 82.2%。

此外，發(fā)現(xiàn)基于 Mnexe 的器件在 85% 相對濕度下 500 小時后仍保留其原始效率的約 80%。

科學(xué)家們指出，此類太陽能電池商業(yè)化的主要障礙仍然Ti3C2TX材料的高成本和復(fù)雜性?！拔磥淼难芯繎?yīng)側(cè)重于優(yōu)化合成路線，以降低成本并提高可重復(fù)性。此外，具有獨特結(jié)構(gòu)和電子特性的替代 MXene 材料，例如Ti2CTX，對于鈣鈦礦太陽能電池的熱管理，可以提供相當甚至更優(yōu)越的性能，“他們總結(jié)道。

該電池在發(fā)表在《Nano-Micro Letters》上的“Multifunctional MXene for Thermal Management in Perovskite Solar Cells”。

之前在鈣鈦礦太陽能電池中使用 Mxene 的嘗試實現(xiàn)實驗室器件效率為 23%，小電池效率為 17%。另外，另一個國際研究小組最近進行了一項審查，以找出 MXenes 如何用作太陽能電池的材料。