近日，武汉科技大学理学院王玉华教授课题组系统总结了二维MXene材料在钙钛矿太阳能电池（PSC）中的关键作用与最新进展，提出了其在提升器件效率、稳定性和商业化潜力方面的创新策略。研究成果以“MXene-based materials for efficient applications in perovskite solar cells: A review”为题发表于中科院一区Top期刊《Journal of Materials Science and Technology》。武汉科技大学物理学硕士生李玥为第一作者，王玉华教授、刘性辉教授为共同通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.07.022

研究内容与成果

钙钛矿太阳能电池因其高效率（最高达26.1%）和低成本成为光伏领域的研究热点，但其稳定性与铅毒性问题阻碍了商业化进程。MXene作为一种二维过渡金属碳氮化物，凭借高导电性、亲水性、可调表面官能团及低温加工优势，被广泛用于PSC的空穴传输层（HTL）、电子传输层（ETL）、钙钛矿活性层及电极中。本文系统的总结了PSC和MXene的关系和发展，探讨了MXene在PSC各功能层中的集成策略。

图 1. (a) 迄今记录的最高效率PSC的发展现状。(b) PSC（包括n-i-p PSC、p-i-n PSC 和钙钛矿/硅串联太阳能电池）的PCE随时间的变化。(c) 钙钛矿太阳能电池的竞争优势和劣势示意图。

图 2. MXenes的合成方法概要，包括氟化氢（HF）、原位HF成形蚀刻、路易斯酸蚀刻、单锅、电化学蚀刻和碱蚀刻。

图 3. MXene在各个领域的应用摘要。

图 4. 不同制备方法的MXenes作为过氧化物层的添加剂。(a) Ti₃C₂Cl_x纳米片合成示意图。(b) Ti₃C₂T_x QDs 示意图。(c) Nb₂CT_x MXene 合成工艺示意图。

图 5. 基于MXene的材料在PSC应用中的前景。

总结与展望

尽管MXene在PSC中展现出巨大潜力，其实际应用仍需解决以下挑战：

1.机理深化：需结合理论计算与实验，揭示MXene表面官能团对能级调控、载流子传输的影响机制。

2.材料拓展：目前研究集中于Ti₃C₂T_x，未来可开发更多MXene变体（如V₂CT_x、Nb₂CT_x），探索其与钙钛矿的协同效应。

3.制备优化：发展环保、低成本的合成工艺，实现MXene的大规模生产。

4.多功能集成：引入MXene插层以增强器件环境稳定性，同时降低铅泄漏风险。

该工作为MXene基材料在PSC中的应用提供了系统指导，并为下一代高效稳定光伏器件的设计指明方向。