Me-4PACz功能化MXene纳米针提升钙钛矿太阳能电池效率与稳定性研究

这篇研究报道了通过[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸（Me-4PACz）功能化Ti3C2 MXene纳米材料，将其应用于钙钛矿太阳能电池（PSCs）的钙钛矿（HP）/空穴传输层（HTL）界面。该策略通过XRD和HRTEM-EELS证实了材料结构，实现了21.5%的功率转换效率（PCE），较对照组提升7%，同时室内稳定性（ISOS-L-1）达1000小时（T88），户外稳定性（ISOS-O-2）T50达1000小时。研究揭示了MXene:Me-4PACz通过优化能带排列、增强电荷提取及降低深/浅陷阱态密度，显著提升器件性能与耐久性。

　　

摘要

研究团队开发了一种新型的Ti₃C₂ MXene功能化策略，通过[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸（Me-4PACz）分子修饰MXene纳米片，形成纳米针状结构。该材料应用于钙钛矿太阳能电池（PSCs）的钙钛矿（HP）/螺-OMeTAD（Spiro-OMeTAD）界面，显著提升了器件性能与稳定性。

1 引言

钙钛矿太阳能电池的商业化面临稳定性挑战。MXene材料因其独特的二维结构和可调表面化学性质，成为界面工程的理想选择。本研究通过Me-4PACz功能化MXene，解决了传统界面缺陷导致的非辐射复合问题，同时优化了能带排列。

2 结果与讨论

材料合成与表征：通过TPAOH/肼剥离和Me-4PACz功能化制备的MXene纳米针（长2-3 μm，直径200-400 nm），XRD显示（002）晶面间距增大，HRTEM-EELS证实P元素富集于MXene边缘，表明Me-4PACz成功嵌入层间。XPS显示Ti 2p_3/2结合能从457.8 eV降至455.1 eV，证实电子结构调控。

器件性能：MXene:Me-4PACz修饰的PSCs实现21.47%的PCE（对照组20.09%），Voc从1.11 V提升至1.16 V。IPCE在682-740 nm区间响应提升至82.5%，归因于改善的电荷提取。

稳定性机制：室内测试（ISOS-L-1）显示改性器件1000小时后保留88%初始性能（对照组仅45%），户外测试（ISOS-O-2）T₅₀达1000小时。SEM显示对照组HTL层严重降解，而改性器件界面保持完整。接触角测试表明改性表面疏水性增强（80° vs 65°）。

电学分析：热导纳谱（TAS）揭示改性器件陷阱态密度降低10-1000倍；瞬态光电压（TPV）显示载流子寿命延长；CELIV测试显示迁移率提升，证实离子迁移抑制是稳定性提升的关键。

3 结论

MXene:Me-4PACz界面层通过三重机制提升PSCs性能：1）优化能带排列促进电荷提取；2）钝化深/浅陷阱态；3）增强表面疏水性抑制降解。该研究为MXene基界面材料设计提供了新思路，推动钙钛矿光伏技术迈向实际应用。