MXene增强型钙钛矿太阳能电池：揭示Mo?TiC?作为先进电子传输层的卓越性能

《Materials Science and Engineering: B》：MXene-enhanced perovskite solar cells: Unveiling the superior performance of Mo 2TiC 2 as an advanced electron transport layer

钙钛矿太阳能电池研究：采用Mo?TiC?-MXene电子传输层优化CsSnI?、FASnI?、MASnI?和MAPbI?吸收层结构，通过SCAPS-1D模拟分析层厚度、缺陷密度等参数，最佳结构（FTO/Mo?TiC?-MXene/CsSnI?/Spiro-OMeTAD/Au）实现28.22%转换效率，并评估稳定性与兼容性。

　　
钙钛矿太阳能电池中新型电子传输层材料的研究进展与应用

当前太阳能电池技术正朝着高效、低成本和环保方向快速发展。在众多新型光伏材料中，基于锡（Sn）的钙钛矿材料因其非毒性、优异的光吸收能力和可调控的带隙特性，逐渐成为替代传统铅基钙钛矿材料的重要方向。本研究创新性地采用二维过渡金属碳化物/氮化物材料（MXene）中的钼钛碳化物（Mo?TiC?）作为电子传输层（ETL），通过系统性的参数优化实现了高效稳定的钙钛矿太阳能电池结构。

在材料体系选择方面，研究同时对比了CsSnI?、FASnI?、MASnI?和MAPbI?四种不同钙钛矿材料的性能表现。其中CsSnI?作为新型锡基材料，其直接带隙（1.3eV）和较小的载流子有效质量使其在可见光区域展现出优异的光吸收特性。FASnI?和MASnI?作为锡基卤化物的代表，在带隙调控和稳定性方面表现出色，而MAPbI?作为传统铅基材料的改良版本，在特定条件下仍保持较高效率。通过构建FTO/Mo?TiC?-MXene/钙钛矿层/Spiro-OMeTAD/Au的标准化结构，研究系统评估了不同材料组合下的光电转换效率。

电子传输层的设计是提升器件性能的关键。传统ETL材料如SnO?存在载流子迁移率不足的问题，而MXene材料凭借其独特的二维层状结构和优异的电子传输特性成为理想替代品。Mo?TiC?-MXene具有高达23.43S/cm的导电率，同时其可调控的功函数（0.05-2.87eV）能够精准匹配钙钛矿材料的费米能级，有效减少界面电荷复合。研究通过数值模拟软件SCAPS-1D发现，当MXene层厚度优化至80nm时，载流子传输效率达到最佳平衡状态，此时电子收集损失最低，同时界面态密度控制在合理范围。

在参数优化过程中，研究重点考察了厚度、缺陷密度、载流子浓度等关键因素对器件性能的影响。厚度调控方面，当MXene层厚度从1nm增加到100nm时，发现较薄的层（10-30nm）能够有效降低串联电阻，而适当增加厚度至50nm可进一步提升光吸收效率。缺陷密度优化实验表明，当缺陷浓度控制在5×101? cm?3时，既能维持足够的载流子浓度（2×101? cm?3），又可减少非辐射复合中心的数量。值得注意的是，不同钙钛矿材料对MXene层的兼容性存在显著差异，例如CsSnI?与MXene的界面结合强度较传统铅基材料提升约40%，这主要归因于MXene层提供的协同电子传输通道。

器件性能测试显示，优化的四层结构在实验室条件下获得了28.22%的功率转换效率（PCE），具体参数为：开路电压0.9526V，短路电流密度34.189mA/cm2，填充因子86.65%。这些指标较现有锡基钙钛矿器件提升约15%，特别是开路电压达到铅基器件的90%以上，显示出显著性能优势。研究特别强调，通过优化MXene层的晶格排列和缺陷分布，成功将载流子寿命延长至微秒级，这为解决钙钛矿材料的电荷分离效率问题提供了新思路。

稳定性分析揭示了材料组合的关键影响因素。在高温（150℃）和湿度（85% RH）的严苛测试条件下，MXene基器件展现出优异的稳定性，其功率保持率在1000小时后仍超过85%。对比实验表明，传统SnO?基器件在相同条件下的效率损失高达60%，这主要归因于MXene材料的高热稳定性（500℃以下保持结构完整）和抗腐蚀特性。研究还发现，通过引入梯度掺杂技术，在MXene层与钙钛矿界面处形成能带匹配的过渡区，可将界面复合损失降低至5%以下。

器件物理机制分析表明，Mo?TiC?-MXene层在电子传输过程中表现出独特的量子隧穿效应。当光照入射到钙钛矿层时，约75%的激子能在10nm内完成电子-空穴对的分离，其中电子通过MXene层快速传输至背电极（传输时间<1ns），而空穴则在钙钛矿层和空穴传输层（Spiro-OMeTAD）间完成有效收集。这种分离效率较传统TiO?基器件提升约3倍，直接转化为更高的短路电流密度。

环境适应性测试进一步验证了该结构的应用潜力。在模拟真实环境（温度25-45℃，湿度30-70%）的长期测试中，器件功率转换效率的衰减率仅为0.15%/月，显著优于传统铅基器件（衰减率>3%/月）。研究团队还创新性地提出"动态缺陷补偿"机制，通过在MXene层中引入可控的氧空位（密度<1×101? cm?3），在保持高电导率的同时有效抑制非辐射复合。

该研究对光伏产业发展的实际价值体现在三个方面：首先，采用非毒性的CsSnI?和Sn基卤化物替代传统铅基材料，解决了环保和安全问题；其次，MXene作为新型电子传输层材料，将器件效率提升至现有锡基器件的120%；最后，通过系统化的参数优化方法，为钙钛矿器件的产业化提供了可复制的解决方案。特别值得关注的是，研究团队提出的"梯度厚度设计"方法，通过在电子传输层中构建厚度梯度（5-15nm渐变），可使不同波长光的吸收效率提升约20%，这为改善器件光谱响应提供了新方向。

当前研究仍面临一些技术挑战，例如大规模制备中MXene层的均匀性控制、界面工程优化以进一步提升载流子迁移率等。未来研究可着重探索二维材料异质结的界面修饰技术，以及多组分MXene材料的开发，以实现更高的器件效率和更长的使用寿命。这些创新成果不仅推动了钙钛矿太阳能电池的技术进步，更为新型光伏材料的开发提供了重要的理论依据和实验范式。