研究背景

?由于具有非常接近Shockley-Queisser極限的功率轉換效率(25.7%)，鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)已經成為下一代光伏技術的有力競爭者之一。然而， PSCs中穩定性和可靠性問題仍然是商業化面臨的挑戰。研究表明，界面和結構工程等策略對提高性能具有更為關鍵的影響。二維材料MXenes由于其金屬電導率、高載流子遷移率、優異光學透明度、大幅可調的功函數和優越的機械性能在太陽能電池應用中已經成為一類具有前途的材料。由于對于過渡元素和表面端基官能團的不同選擇，MXenes具有功函可調的特性，這是吸收層和電荷傳輸層之間能帶對齊的重要指標，對于PSCs中電荷載流子的提取和收集起到了至關重要的作用。

此外，將MXenes應用PSCs中的各層中以降低界面復合電阻并提供平穩的電荷傳輸通路，從而提高PSCs的導電性和工作穩定性。本綜述旨在概述MXenes作為鈣鈦礦吸收層，電荷輸運層、電極以及界面層組分的應用，以及它們在PSCs中的器件性能和穩定性的重要性。最后，作者討論了目前的研究現狀和未來MXenes在PSCs中的使用方向。

A Review on Interface Engineering of MXenes for Perovskite Solar Cells

本文亮點

1. 本次綜述討論了MXenes在PSCs的不同位置/層中的作用。

2. 詳細闡述了不同層/界面上的問題以及對應的MXenes的解決策略。

內容簡介

2D材料MXenes由于其金屬電導率、高載流子遷移率、優異光學透明度、大幅可調的功函數和優越的機械性能在PSCs應用中已經成為一類具有前途的材料。在本綜述中，韓國英荷大學Soo-Jin Park等人旨在全面地了解MXenes及其在不同PSC組件(根據光致吸收層、ETL、HTL和電極進行分類)和界面中作為添加劑或插層的作用。

作者首先對于PSCs的最新研究趨勢進行了簡要概述。隨后，根據MXenes的角色將其分類為添加劑(進入鈣鈦礦吸收層、電荷傳輸層和電極)及其單獨在PSCs中的作用。此外，作者討論了MXenes作為PSCs每一層中的界面層在提高形態特征、電學導電性、機械穩定性和功函數調整方面的作用，并討論了MXenes影響電子轉移和提取以及增加PSC的工作穩定性的機理。最后，作者對于未來的界面設計/工程方向提出了展望，以推動先進PSC技術的整體技術路線的出現。

圖文導讀

I 鈣鈦礦太陽能電池中的MXenes

MXenes是一種2D過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮混合物，一般公式為M???X?T?(n=1-4)。"M"代表前過渡金屬(Sc、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo等)，"X"代表碳和/或氮，"T?"代表表面端基，包括-O、-OH、-F等。在2011年，Naguib等人首次報道了Ti?C?T? MXenes。圖1展示了不同MXene的組成。具體而言，MXenes通過不同的M和X元素組合、M或X位點上的元素數量、原子層數、排列方以及表面功能基團(T?)的組成而產生。

圖1. 2D MXenes的結構示意圖。

典型的平面(或介孔)n-i-p以及反式的p-i-n型PSCs由光吸收層、電子傳輸層(ETL)、空穴傳輸層(HTL)、透明電極以及背電極組成。透明電極在太陽光一側并位于玻璃/可彎曲襯底上。如圖2(a)所示，當太陽光照射在光吸收層上，電子從價帶激發至導帶，形成電子-空穴對。這些光生電荷載體被分別由電子傳輸層和空穴傳輸層提取，并傳輸到相應電極上。這些獨特的特點決定了PSCs的穩定性和電壓-電流滯后效應。包括缺陷和電荷提取/傳輸、濕度、熱和電場等關鍵因素都有可能降低太陽能電池的性能和使用壽命。如圖2(b)所示，這些不利因素可以通過溶劑工程、添加劑工程、組分工程、界面工程、器件工程和封裝等方法來有效消除。

圖2. 典型PSCs中(a)不同層堆疊的器件結構以及(b)提高有機太陽能電池效率和穩定性的主要方法。

如圖3所示，本綜述中討論了 MXenes 作為PSCs的組分以及功能層在不同方面的作用。基于此，作者根據 MXenes在鈣鈦礦吸收層、ETL、HTL和電極中作為添加劑的作用，以及作為ETL、HTL、電極或界面層對 MXenes 的功能進行了分類。

圖3. MXenes在PSCs中的作用：MXene作為正式n-i-p結構PSCs的組分或功能層的各種作用。器件結構為玻璃/TCO/ETL/鈣鈦礦/HTL/電極，括號中的數字表示不同部分的章節號。IL代表“界面層”，TCO代表“透明導電氧化物”。

如圖4(a)所示，一種具有ITO/SnO?/MAPbI?:(0.3 wt%) Ti?C?T?/2, 2'，7，7'-四(N，N-二-p-甲氧基苯基)胺基-9，9'-螺[芴]胺(Spiro-OMeTAD)/Au的器件結構的PSC實現了17.4%的PCE，相較于對照器件的15.6%提高了12%。器件性能的提升源于開路電壓(VOC)、電流密度(JSC)和填充因子(FF)的增加。VOC的增加歸因于Ti?C?T?對鈣鈦礦的鈍化作用，促進了空穴傳輸并減少了鈣鈦礦/HTL界面的復合。圖4(b)展示了具有Ti?C?T?添加劑的PSCs的J-V曲線，其中Ti?C?T? MXene添加劑的添加量分別為0、0.01、0.02、0.03、0.5和1 wt%。通過向鈣鈦礦前驅體溶液中添加Ti?C?T? MXene納米摻雜劑可以誘導形成均勻且高度結晶的鈣鈦礦薄膜。在添加0.3 mM Ti?C?T?納米片的最優濃度后，基于ITO/SnO?/(BA)?(MA)?Pb?I??-Ti?C?T? MXene/Spiro-OMeTAD/Ag結構的PSC的PCE從未添加添加劑的13.7%提高到15.7%。添加Ti?C?T?納米片的PSC還表現出更高的JSC(20.87 mA cm?2)，VOC(1.11V)和FF(67.8%)。圖4(c-d)展示了PSC，2D RP層狀結構和具有不同濃度的PSC的J-V曲線的示意圖。

研究人員認為性能改善主要源于結晶度、取向度的提升和陷阱態的鈍化加速了垂直方向的電荷傳輸過程。圖4(e-f)展示了Cs?摻雜對于MXene與鈣鈦礦之間結合能的影響。引入Cs?后，MXene和鈣鈦礦膜之間的相互作用增加了，其結合能為-0.016 eV ??2。相比之下，如果沒有Cs?，鈣鈦礦膜和MXene之間的結合能為-0.013 eV ??2。如圖4(g-h)所示，Liu等使用一步沉積法將Ti?C?Cl?量子點(QDs)作為添加劑納入到鈣鈦礦前驅物溶液中。基于0.2 mg mL?1Ti?C?Cl? QDs和FTO/SnO?/鈣鈦礦+Ti?C?Cl? QDs/Spiro-OMeTAD/Ag結構的PSC實現了21.3％的PCE和1.19 V的VOC并且具有最小的遲滯效應。

圖4. (a)MXenes添加劑修飾的MAPbI?的平面結構PSCs示意圖；(b)不同添加量的Ti?C?T? PSC的J-V特性曲線；(c)Glass/ ITO/SnO?/2D鈣鈦礦/spiro-OMeTAD/Ag結構的PSC示意圖；(d)不同添加量的Ti?C?T?摻雜的PSC的J-V曲線；MAPbI?(100)表面(e)不具有與(f)具有Cs?的Ti?C?O? MXene之間的界面的原子結構；(g)器件結構的示意圖；對照和0.2mg mL?1 Ti?C?Cl? QDs處理的PSC裝置的(h)正掃和反掃J-V曲線以及(i)器件的外量子效率(EQE)。

如圖5(a)所示，為了通過生成多孔通道增加PbI?的反應性，Zhao等人在PbI?層中添加了2D單層Ti?C?T?(T? = -O，-OH和-F)MXene納米片。這種改進提高了后續PbI?對MAI的反應使其完全轉化為MAPbI?。上述改善最終導致鈣鈦礦薄膜中剩余的PbI?數量減少以及鈣鈦礦顆粒的大小增加。如圖5(b)所示，Ti?C?T? MXene可調控鈣鈦礦的功函數，加速載流子的提取和注入。如圖5(c)所示，通過添加0.03wt%的Ti?C?T?添加劑，基于FTO/SnO?/MAPbI?：Ti?C?T?/Spiro-OMeTAD/Au器件結構的PSC實現了19.3％的PCE，相對于對照器件改善約18%。如圖5(d-e)所示，基于Cs?AgBiBr?、Cs?AgBiBr?@Ti?C?T?(0.01mg mL?1)、D149-Cs?AgBiBr?和D149-Cs?AgBiBr?@Ti?C?T?(0.01mg mL?1)等非封裝器件，在25°C、約20％相對濕度下的空氣中存儲1000小時后，保持了70％、74％、83％和86％的初始PCE，表現出長期穩定性。

圖5.(a)Ti?C?T? 輔助制備高質量的兩步法制備的鈣鈦礦薄膜的機理示意圖；(b)Ti?C?T? 摻雜和未摻雜的平面型 PSCs 的器件結構及其能級圖；(c)不同含量 Ti?C?T? 的最佳 PSCs 的 J-V 曲線；(d)含Ti?C?T? MXene 添加劑的 PSC 示意圖；(e) D149 敏化的 TiO? 或 Ti?C?T? 摻雜的 PSC 器件的穩定性，測試條件為25°C 環境下、未封裝的情況下RH ~ 20% 的空氣中。

圖6(a-b)展示了ITO/Ti?C?T?/MAPbI?/Spiro-OMeTAD/Ag構型的PSC器件的示意圖和橫截面SEM圖像。Ti?C?T?層厚度為18 ± 3 nm。圖6(c)展示了PSC器件每個功能層的能級圖示例。采用T-Nb?CT? MXene ETLs和T-Nb?CT? MXene納米片添加劑的ITO/Nb?CT?/FA0.85Cs0.15PbI?/Spiro-OMeTAD/Ag器件展現了21.79%的PCE。如圖6(d-f)所示，相應的柔性和大面積器件的最高PCE值分別為19.2%和18.3%。

圖6. (a)基于經過/未經過UV臭氧處理的Ti?C?T?的ITO/ETL/MAPbI?/Spiro-OMeTAD/Ag器件結構圖；(b)PSC器件的截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像以及(c)對應的能級示意圖；(d)ITO/Nb?CT?/FA0.85Cs0.15PbI?/Spiro-OMeTAD/Ag的器件結構示意圖；(e-f)柔性和大面積器件的J-V曲線。

如圖7(a)所示，使用多維導電網絡(MDCN)ETL制備(FAPbI?)0.97(MAPbBr?)0.03鈣鈦礦薄膜的制備過程包括以下兩個階段：在空氣環境下進行受控低溫退火處理，隨后在N2中進行處理。如圖7(b)所示，Zheng等人在平面正式結構的PSC中使用SnO?納米粒子和Ti?C?T? MXene納米片的混合膜作為ETL。將SnO?/MXene膠體懸液旋涂在ITO基板上形成ETL，然后利用典型的兩步沉積技術，通過旋涂法在先前涂覆的ETL上形成鈣鈦礦層(MA0.15FA0.85PbIXBr?-X)。如圖7(c)所示，PSC的PCE在1.5 wt％ Ti?C?T?/SnO?比例下顯著提高，從16.28%提高到20.35%，并且JSC和FF從20.65和0.71提高到23.65 mA cm?2和0.76。如圖7(d-e)所示，基于TiO?和Ti?C?T?@TiO? ETL的Cs?AgBiBr?雙鈣鈦礦薄膜具有類似的晶粒尺寸為200-500 nm。

圖7. (a)MDCN ETL上鈣鈦礦層的制備過程；(b) ETL和鈣鈦礦薄膜制備過程的示意圖；(c) PSC和MXene結構圖以及效率和缺陷密度值相對于Ti?C?T?/SnO?重量百分比的示意圖；(d)Cs?AgBiBr?/Ti?C?T?@TiO?結構的示意圖以及SEM圖像；(e)基于TiO?和不同重量百分比的Ti?C?T?@TiO?的平面Cs?AgBiBr? PSC的J-V曲線。

如圖8(a)所示，Yang等人利用具有不同Ti?C?含量(0、0.5、1.0、2.0和2.5 wt%)的SnO?-Ti?C? MXene(Ti?C? MXene + SnO?)納米復合材料作為ETL，并應用于具有ITO/SnO?+Ti?C?T?/MAPbI?/Spiro-OMeTAD/Ag結構的平面結構PSC中。相應的PSC橫截面SEM圖像和每個功能層的能級圖如圖8(b-c)所示。Yin等人利用氟烷基硅烷和十二烷基三甲氧基硅烷功能化的MXene納米片作為摻雜劑，將它們引入SnO? ETL中，分別制備具有改性ETL層的PSC器件(分別表示為SnO?-MF和SnO?-MH)。圖8(d-e)中描繪了PSC的示意圖和不同SnO?，ITO和鈣鈦礦層的能級圖。如圖8(f)所示，最佳器件展示出最大的PCE為24.1％，JSC為25.49 mA cm?2，VOC為1.121 V，FF為84.4％。此外，研究人員將Ti?C?T?量子點(MQDs)引入SnO? ETL中以研究鈣鈦礦的結晶動力學。如圖8(g-h)所示，通過利用MQDs-SnO?層的出色電荷提取能力，基于ITO/SnO?-MQD/鈣鈦礦/Spiro-OMeTAD/MoO?/Au器件結構的PSC的穩態PCE為23.3％，JSC為24.96 mA cm?2，VOC為1.172 V，FF為0.798。如圖8(i)所示，由于MQDs-SnO?層的出色電荷提取能力，積分JSC值為24.39 mA cm?2，非常接近太陽模擬器觀察到的JSC值24.96 mA cm?2。

圖8. (a)SnO?-Ti?C?作為ETL的ITO/ETL/MAPbI?/Spiro-OMeTAD/Ag器件架構；PSC器件的(b)截面SEM圖像以及(c)能級示意圖；(d)ITO/SnO?-MH/鈣鈦礦/Spiro-OMeTAD/Ag結構的截面SEM圖像；(e)基于SnO?、SnO?-M、SnO?-MF和SnO?-MH作為ETL的ITO/ETL/AL結構的能級圖；(f)基于各種ETL的冠軍FAPbI?基器件的反掃J-V曲線；(g)SnO?基PSCs的平面異質結構的示意圖；最佳SnO?基和MQDs-SnO?基PSCs器件在(h)正向和反向掃描下的J-V曲線以及(i)EQE曲線和積分JSC。

如圖9(a-c)所示，采用氧等離子體處理的Nb?CT? MXene作為HTL，器件結構為ITO/Nb?CT?/MAPbI?/PCBM/Ag的PSC表現出的PCE為20.74％，較原始Nb?CT?(18.1％)和未采用的Nb?CT? MXene HTL(15.5％)的PSC具有更高的VOC和JSC。更高的JSC也被更高的EQE值所證實，這也表明更高效的電荷分離和收集效率。

氧等離子體處理的Nb?CT? HTL的PSC獲得最高的EQE積分JSC(22.75 mA cm?2)，接近從J-V測量獲得的JSC值。如圖9(d)，具有氧等離子體處理的Nb?CT? HTL的柔性和大面積(0.99 cm2)PSC分別表現出了17.3％和17.9％。的最高的PCE。Du等人通過噴涂不同濃度的SCA(乙烯基三甲氧基硅烷)(0、0.1、0.3、0.5、0.7 vol％)Ti?C?T? MXene納米片制備HTL。圖9(e)展示了噴灑沉積裝置示意圖，其中ITO玻璃基板被放置在60℃的熱臺上，噴槍噴嘴設置在距基板20cm的位置處。

圖9. (a)PSCs的器件結構示意圖和Nb?CT? MXene的結構圖；(b)不同掃描方向下測量的PSC的J-V曲線；(c) 不同PSCs的EQE和積分JSC曲線；(d)利用氧等離子體處理的Nb?CT? HTL制備柔性PSC的J-V曲線；(e) 噴涂過程形成Ti?C?T?-SCA薄膜的示意圖和乙烯基三甲氧基硅烷的結構式；(f)具有ITO/HTL/Perovskite/PC61BM/Ag結構的器件的示意圖；(g)基于Ti?C?T?的PSC的J-V曲線；(h)EQE譜和相應的積分JSC曲線。

Hussain等人首次將MO?C和CNTs結合形成MO?C-CNT混合導電網絡，并與PEDOT:PSS復合后作為HTL應用于PSCs，器件結構為ITO/MO?C-CNT@PEDOT:PSS/MAPbI?/PCBM/LiF。如圖10a所示的能級圖表明，隨著光進入活性層，吸收的光在活性層中產生電子和空穴對，隨后分離進入ETL以及HTL中。圖10(b)顯示了使用1.5wt％MO?C-CNT@PEDOT:PSS HTL(PEDOT:PSS和MO?C-CNT的混合物)制備的PSC的示意圖以及截面SEM圖像。如圖10(c)所示，與AM 1.5 G照明下100 mW cm?2情況下的純PEDOT:PSS (9.2％)、MO?C@PEDOPT:PSS(9.82％)和CNT@PEDOPT:PSS(10.61％)相比，基于MO?C-CNT@PEDOT:PSS HTL的PSC表現出最高的12％的PCE。如圖10(d-e)所示，研究人員將1,2和3wt％的MXene/WO?雜化結構與PEDOT:PSS混合制備HTL，基于此制造了具有glass/ITO/MXene/WO?@PEDOPT:PSS/MAPbI?/PCBM/LiF/Al的高效平面太陽電池的器件。相應的能帶圖和示意圖在圖10(d-e)中顯示。MXene/WO?與鈣鈦礦活性層能形成良好的能級匹配以及良好的界面接觸。如圖10(f)所示，使用最佳器件結構(2wt％MXene/WO?/PEDOT:PSS HTL)制造的鈣鈦礦太陽電池達到最高的PCE為12.26±0.12％，而純PEDOT:PSS，WO?/PEDOT:PSS和WO?/PEDOT:PSS的PCE分別為9.19±0.12％，10.13±0.14％和11.42±0.13％。

圖10. (a)基于ITO/MO?C-CNTs@PEDOT:PSS/MAPbI?/PCBM/LiF/Al結構的PSCs
能級圖；(b)基于ITO/ITO/MO?C-CNTs@PEDOT:PSS/MAPbI?/PCBM/LiF/Al器件結構制備的PSC的示意圖和它的截面SEM圖像；(c)使用純的和1.5％的MO?C、CNTs和MO?C-CNTs混合的PEDOT:PSS HTL所制備的PSC器件的J-V曲線；(d)ITO/MXene/WO?@PEDOT：PSS HTL/MAPbI?/PCBM/LiF/Al原型結構的能級圖；(e)器件結構示意圖和截面SEM圖像；(f)純WO?、MXene和MXene/WO?摻雜的HTL所制備的PSC的J-V曲線。

如圖11(a-b)所示，Cao等人率先使用了導電性更好的2D MXene材料(Ti?C?)作為HTM和無貴金屬MAPbI? PSCs的背電極，其能級可與碳材料媲美。研究人員采用簡單的熱壓技術，在85℃和0.4 MPa的條件下，實現了MAPbI?鈣鈦礦層和Ti?C?材料之間的無縫界面接觸。如圖11(c)所示，由于最佳厚度的Ti?C?電極具有更好的電導性和與鈣鈦礦層的良好界面接觸，因此基于該電極的最佳PSC(器件結構為FTO/TiO?/MAPbI?/Ti?C?T?)具有13.83％的PCE，其中VOC為0.95 V，JSC為22.97 mA cm?2，FF為63％。如圖11(d)所示，制備基于Ti?C?電極的PSC時還觀察到了良好的生產可重復性，且不同批次之間具有更優異的重現性。如圖11(e-f)所示，Mi等人將商業碳納米管和2D Ti?C? MXene混入碳漿中，形成雜化碳電極，用于制備無機CsPbBr?鈣鈦礦基PSC。對于具有混合碳電極的無機CsPbBr? PSC，基于FTO/c-TiO?/CsPbBr?/混合碳結構的最佳器件實現了7.09％的PCE，其中VOC為1.357 V，JSC為7.16 mA cm?2，FF為72.97％。

圖11. (a)通過熱壓法制備Ti?C?電極的示意圖；(b)基于Ti?C?電極的PSC的截面SEM圖像；(c)具有不同厚度的Ti?C電極的器件的J-V曲線；(d)20個器件的測試得到的PSC的PCE統計柱狀圖；(e)基于碳混合電極的CsPbBr?太陽能電池的示意結構；(f)具有不同類型電極的器件的J-V曲線。

如圖12a所示，Chen等人將一維AgNWs與二維Ti?C?T? MXene納米片結合起來，制備得到復合Ti?C?T? MXene 柔性透明電極(FTEs)用于柔性太陽能電池設備。在靜電相互作用下，形成了復合的1D:2D結構(AgNW:MXene)FTE。在親水性PET基底上沉積的一維AgNWs被涂覆上MXene納米片，形成導電的AgNW:MXene復合網絡。如圖12(b-c)所示，基于PET/AgNW:MXene/NiO?/鈣鈦礦/PC61BM/銀結構的面積為0.1 cm2的反式器件具有高達20.22％的PCE，1.06 V的VOC，25.16 mA cm?2的JSC和75.5％的FF。

圖12. (a)Ti?C?T? MXene的示意圖以及AgNW：MXene柔性透明導電電極的制備過程；(b)具有PET/AgNW:MXene/NiO?/鈣鈦礦/PC61BM/Ag結構的柔性PSCs；(c)基于ITO、AgNW和AgNW:MXene電極的柔性PSCs的J-V曲線。

II 作為界面層的MXenes

由于其高透過率、可調節的功函數(2.14-5.65 eV)和金屬導電性，MXene是光伏領域的一種有前景的候選材料。如圖13(a-b)所示，Chen等人在FTO/c-TiO?/CsPbBr?基底上通過旋涂涂Ti?C? MXene納米片分散液，首次在全無機CsPbBr?太陽能電池中引入2D Ti?C? MXene納米片作為中間層。如圖13(d)所示，使用Ti?C?T? QDs(TQDs)對鈣鈦礦/TiO? ETL界面和鈣鈦礦吸收層進行調控，并引入Cu?.?S納米晶體優化PSC中的Spiro-OMeTAD HTL。如圖13(e)所示，由于TQD/Cu?.?S的協同效應改善了JSC、VOC和FF，PSC展現出了無遲滯的PCE，從18.3％提高到21.6％(VOC為1.14 V，JSC為24.12 mA cm?2，FF為78.70％)。如圖13(f)所示，鈣鈦礦的電子陷阱態密度分別為1.59×101? cm?3(對照組)、1.28×101? cm?3(S1)和1.15×101? cm?3(S2)。

圖13. (a)CsPbBr?和Ti?C? MXene的晶體結構示意圖以及基于CsPbBr?/Ti?C? MXene的太陽能電池的制備示意圖；(b)具有/不具有Ti?C? MXene的FTO/ CsPbBr?/Au器件的截面SEM圖像；(c)具有/不具有Ti?C? MXene的器件的J-V曲線；(d)鈣鈦礦太陽能電池的體系結構、Cu?.?S和Ti?C? QD的示意結構和TEM圖像以及完整器件的截面SEM；(e)FTO/TiO?/perovskite，FTO/TiO?/MQD/perovskite和FTO/TiO?/MQD/MQD-perovskite器件的J-V曲線；(f)FTO/TiO?/Perovskite/PCBM/Ag的對比器件，FTO/TiO?/TQD/Perovskite/PCBM/Ag(S1)器件和FTO/TiO?/TQD-Perovskite/PCBM/Ag(S2)器件的雙對數J-V曲線。

如圖14(a)所示，Wu等人使用了由SnO?-MXene制成的復合電子傳輸層(ETL)，以增強PSCs中SnO?/鈣鈦礦界面的界面接觸并消除缺陷。MXene和鈣鈦礦之間的晶格匹配抵消了產生的界面應力并誘導了鈣鈦礦的垂直生長。如圖14(b)所示，MXene的引入還將導帶底從下移-7.72 eV至-7.93 eV，這表明抑制空穴復合和空穴向ITO的遷移。如圖14(c)所示，Au納米顆粒被涂覆在MXenes上，形成Au @ Nb?CT?-MXene。基于Au @ Nb?CT?-MXene修飾的器件表現出非常高的VOC為1.215 V，JSC為24.28 mA·cm?2，FF為80.62%，PCE為23.78%。相比之下，對照器件的PCE為20.86% (圖14(d))。如圖14(e)所示，未封裝的器件在相對濕度為40%的空氣中暴露1000小時后，保留了其初始PCE值的90%，并在暴露500小時后繼續以不少于80%的初始效率的效率運行。

圖14. (a)PSC和MXene-PSC的器件結構示意圖；(b)基于SnO?-MXene的PSC器件的能級示意圖；(c)由Au@Nb?CT?-MXene修飾的PSC結構圖；(d)反向掃描下測量的對照組和Au@Nb?CT?-MXene修飾器件的J-V曲線；(e)相對濕度約40％的環境空氣中對照組和Au@Nb?CT?-MXene修飾PSC的穩定性測試。

如圖15(a-b)所示，根據Zhou等人的研究，2D Ti?C?Cl? MXene被插入到CsPbBr?薄膜的體內和表面中，將減少器件體內和表面的缺陷和應變，減少非輻射復合從而提高VOC。如圖15(c)所示，Ti?C?Cl? 修飾的鈣鈦礦膜的VTFL從0.78降至0.56 V，即缺陷密度從5.93×101?降至1.92×101? cm?3。如圖15(d)所示，經過Ti?C?Cl? MQDs處理的最佳CsPbI? PSC(FTO/TiO?/CsPbI?/Ti?C?Cl?? MQDs/Spiro-OMeTAD/Au)具有20.4%的PCE，其中VOC為1.22 V，JSC為20.59 mA cm?2，FF為81.5%。如圖15(e)所示，經過120小時35% RH的空氣存儲后，Ti?C?Cl? MQDs處理的CsPbI?薄膜的空氣穩定性顯著提高。

圖15. (a)通過Ti?C?Cl? MXene對CsPbBr?薄膜進行全缺陷鈍化的示意圖；(b)未處理和含有Ti?C?Cl?的鈣鈦礦薄膜中光生載流子的轉移情況；(c)未處理和含有Ti?C?Cl? MXene的單空穴器件的暗J-V曲線；(d)CsPbI? PSC的示意圖，其結構為FTO/TiO?/CsPbI?/Ti?C?FX/Spiro-OMeTAD/Au；(e)由原始和經Ti?C?FX QDs修飾的CsPbI?薄膜器件的J-V曲線；(f)置于常溫高濕環境中(相對濕度≈35%，溫度為25°C)的由原始和經Ti?C?FX QDs修飾的CsPbI?薄膜的照片。

為了有效緩解FA基鈣鈦礦中的晶格不穩定性，Guo等人開發了一種合理的設計方法，通過鹵素(F、Cl、Br或I)修飾的納米MXenes與鈣鈦礦之間形成界面離子鍵。如圖16(a)所示，他們使用脈沖激光輻照和乙酸乙酯綠色反溶劑，制備了鹵素修飾的納米MXenes。如圖16(b-c)鹵素修飾的納米MXenes在納米晶體和鈣鈦礦之間形成異質界面。與對照PSC相比，目標PSC處理后穩定的功率輸出從22.07%提升至23.79%。如圖16(e-f)所示，Wang等人引入了一個強結合的界面與2D碳化物MXene相互作用，以提高SnO? ETL的電子遷移和電荷轉移能力。如圖16(g)所示，MXene改性的器件具有更少的缺陷，并且載流子傳輸均勻性得到增強，這也反映在整個器件活性區域的電流傳輸效率提升上。如圖16(h)所示，具有優異性能的PSC也展現出了高的穩定性，經過3個月后仍保留初始PCE的90%。

圖16. (a)通過脈沖激光照射制備納米MXenes的示意圖；(b)通過鹵素端基修飾的納米MXenes在雜化鈣鈦礦界面的離子鍵合異質結構、基于Pb-T的離子晶格錨定以及載流子動力學調制方面的示意圖；(c)納米Ti?C?FX的高分辨率透射電子顯微鏡圖像(HR-TEM)和快速傅里葉變換衍射(FFT)圖案；(d)基于FAPbI?薄膜的最佳光伏電池的J-V曲線和相應器件的穩定輸出功率；(e-f)器件的結構和截面SEM圖像；(g)MXene修飾器件的空間分辨率電流傳輸效率圖譜(比例尺為1毫米)；(h)優化后PSCs的自身壽命跟蹤圖。

III 總結與展望

MXenes對于PSC的器件性能和穩定性有著顯著的影響。MXenes在PSC中的角色和功能總結如圖17所示。作為一個應用，本文詳細概述了自2018年首次報告以來MXenes在PSC中的運用，包括最近的進展。MXenes在PSC的不同組分中扮演著多種角色。這些角色根據其功能分為五類：鈣鈦礦吸收層中的添加劑，ETLs/ETLs中的添加劑，HTLs/HTLs中的添加劑，電極和界面層中。作為吸收層的添加劑，MXenes通過調控形態延緩鈣鈦礦的結晶速率，并增大晶體尺寸。此外，MXenes緩解鈣鈦礦的晶格不穩定性并鈍化體內和表面缺陷，從而延長載流子壽命并減少電荷復合。此外，這些材料在吸收層表面誘導疏水特性，并防止鈣鈦礦中質子化有機胺的去質子化過程。最重要的是，MXenes可以調整鈣鈦礦吸收層的功函數，以實現高效的電荷傳輸。這些功能的綜合作用改善了PSC的PCE和穩定性。同樣地，在ETL中作為添加劑的情況，MXenes可以調整ETL的功函數，使其與鈣鈦礦層的帶隙匹配，促進電子傳輸。這些發現得到了電子遷移率的提高和ETL/鈣鈦礦界面復合的減少的支持。

此外，MXenes緩解了ETL層中的缺陷，這是下一層鈣鈦礦結晶度提高的先決條件。作為電極，MXenes是PSC透明混合電極中的新興材料。MXene材料作為或用于HTL可以提供更優越的空穴傳輸路徑，改善空穴提取，并通過調節HTL的功函數以降低HTL/鈣鈦礦界面處的電荷轉移電阻。在電極中引入MXene材料可以提供更好的基底附著力，并提供連續的優越導電路徑以改善電導率。

此外，由于其較低的電阻率，MXene材料也是極具潛力的電極材料。MXene材料還被用作ETL/電極層、鈣鈦礦/電極層、鈣鈦礦/ETL層和鈣鈦礦/HTL層中的界面層。這些層可以通過改善界面能帶對齊，降低界面缺陷陷阱復合，提供鈣鈦礦膜的有機生長基底，以及提高鈣鈦礦粒子的穩定性等方式，促進高效的電荷提取和轉移。這些重要特性為高效、穩定的PSC的發展提供了實現途徑。MXene材料在PSC中的不同作用和它們在光伏性能上的影響在表1、表2、表3、表4和表5中進行了總結。到目前為止，利用MXene材料的PSCs已經達到了24.17%的最高效率，并且所報道的穩定時間已經達到了2000小時。

此外，報告稱已經成功制備了大面積1.99 cm2的PSCs和最小尺寸為25 cm2的微型模塊。但是，MXene材料在鈣鈦礦太陽能電池中的應用還處于初級階段，急需進一步的研究。目前已經報道了許多MXene成分、表面端基、能帶結構和功函數的不同MXene材料。

但是到目前為止，PSCs中被應用的僅有少數MXene材料，如Ti?C?T?(T?=–O, –OH, –F, –Cl, –Br, –I, –NH?)、V?CT?、MO?C和Nb?CT?。因此，需要進行理論研究以進一步了解新型MXene組成、MXene/鈣鈦礦、MXene/ETL和MXene/HTL界面的電荷傳輸/提取行為和功函數調節。研究人員仍需要進行更加詳細的理論研究，以闡明MXene的光學、電學和力學特性，各種MXene終止基團、表面修飾、功函數變化和能級對MXene基PSCs的光伏參數的影響。此外，仍需要探索不同的新合成路線和后處理方法，例如激光輻照、UV臭氧處理等，以獲得高質量純凈和功能化的MXene。

MXene除了具有強的柔性和高電導率之外，還應該透過PSCs的光伏響應范圍，并具有其他材料特性上的優勢，如低廉的價格、環境兼容性、長期穩定性和可持續制造用于放大生產MXene和其商業用途以及太陽能電池模塊。此外，研究人員需要評估由于MXenes包含在PSCs中而產生的額外成本，并研究大量未被探索的MXenes材料，優化光電特性，以進一步提高PSCs的PCE和穩定性。

除了PSCs以外，MXenes在其他基于鈣鈦礦的光電器件中也引起了興趣，例如光探測器、光二極管、光電晶體管和等離子體等。MXenes在光探測器(PDs)中發揮著多種作用，例如被作為透明電極、肖特基接觸、光吸收體和等離子體材料。例如，Ti?C?T?量子點(TQDs)用于增強二維鈣鈦礦Ca?Nb?O??(CNO)納米片(NS)的電荷載體，增強TQD修飾的二維鈣鈦礦CNO NS PD的性能。其他的例子還包括CsPbBr? NSs/Ti?C?T? MXene和CsPbBr? NCs/Ti?C?T? MXenes納米復合光探測器。同樣地，研究人員還報道了一種等離子體 Nb?CT? MXene-MAPbI? 異質結構，可用于自供能可見光和近紅外光探測器。

近年來，PSCs經歷了重大的科學發展。低成本、低溫度的基于溶液的制備工藝、鈣鈦礦多陽離子和多陰離子的進展、全無機鈣鈦礦的改進、無鉛鈣鈦礦、2D/3D鈣鈦礦的應用、通過溶劑工程、組成工程、界面工程、器件工程的缺陷修復、貼層太陽能電池的光伏性能(PCE和穩定性)的持續改進、應用散射效應和光譜修改的太陽能聚光器以及PSCs的靈活性，為PSCs具有高性能/成本比的可擴展和大規模商業化帶來了希望。在本篇綜述文章中，我們簡要分析了2D MXene材料在鈣鈦礦吸收層、ETL/HTL、電極和界面中的應用。高光學透明度、通過表面端基的功能化實現的廣泛可調功函數、MXene的柔性和卓越機械性能以及它們的最佳濃度是制備高質量和均勻薄膜、降低陷阱態密度并改善PSCs中的電荷載流子提取和收集能力的關鍵因素。這些特點使MXenes成為PSCs的潛在材料。本文綜述了MXenes在PSCs中的最新進展，這只是其中的一小部分。作者認為，MXene修飾的PSCs的許多關鍵改進即將在不久的將來出現。

圖17. MXenes在PSCs中的位置以及功能。

審核編輯：劉清