【材料】福建师范大学陈桂林/陈水源与武汉大学李建民 AFM：二维MXene助力高效率无空穴传输层Sb2(S,Se)3太阳能电池

                

研究背景：

薄膜太阳能电池具有用料少、耗能低、可柔性等特点，因此应用前景广泛。锑基化合物Sb₂(S,Se)₃（0≤x≤1）由于其优异的光电特性，如高吸收系数（~10⁵ cm⁻¹）、可调带隙（1.1-1.7 eV），被认为是一种极具发展潜力的薄膜太阳能电池吸光材料。经过研究人员7年左右的努力，Sb₂(S,Se)₃太阳能电池的转换效率超过了10%。然而，当前大多数高效率的Sb₂(S,Se)₃太阳能电池均采用金（Au）或Spiro-OMeTAD/Au作为背接触材料。一方面昂贵的金大幅度增加了器件的制作成本，另一方面有机空穴传输层Spiro-OMeTAD中的锂盐（Li-TFSI）添加剂易吸水，极大限制了器件的长期稳定性。因此，发展一种新型、高效、廉价、稳定的Sb₂(S,Se)₃太阳能电池背接材料迫在眉睫。

文章概述：

福建师范大学陈桂林/陈水源团队联合武汉大学李建民，首次提出了在Sb₂(S,Se)₃薄膜太阳能电池中引入钛碳化物Mxene（Ti₃C₂T_x）作为背电极，对应器件结构为FTO/CdS/Sb₂(S,Se)₃/MXene。得益于其高导电性、适中反射率和柔性薄片结构等特征，基于MXene的Sb₂(S,Se)₃器件性能比传统的碳电极和金电极分别高出153%和77%，有望取代传统的碳和金电极。特别地，MXene丰富的末端基团赋予其可调的功函数以及在Sb₂(S,Se)₃与MXene之间形成了Sb-O化学桥键，这些均有效地抑制了背接触界面的载流子复合，增强了电荷传输效率。基于此，获得了迄今为止无空穴传输层Sb₂(S,Se)₃太阳能电池中的最高光电转换效率8.29%。

（图片来源：Advanced Functional Materials）

图文导读：

图1 (a-c) 蚀刻法合成层状MXene以及Sb₂(S,Se)₃器件制备过程的示意图。层状MXene的表征：(d) 母相MAXene和所制备的MXene的XRD谱图。单层MXene的 (e) TEM图像，(f) AFM形貌图。MXene薄膜的制备与表征：(g) MXene在水中的分散情况，(h) MXene薄膜的方块电阻随其厚度的变化，(i) MXene薄膜的SEM表面形貌图。

（图片来源：Advanced Functional Materials）

图2 基于C、Au和MXene为电极的Sb₂(S,Se)₃器件性能及分析：(a) J-V曲线；(b) 器件效率统计图；(c) 器件EQE光谱响应图；(d) 背电极薄膜反射光谱图；(e) 暗场下器件J-V特性曲线；(f) 奈奎斯特图；(g) 背电场示意图；(h) 器件的截面SEM图。(i) 各种背接触材料的成本。

（图片来源：Advanced Functional Materials）

图3 Sb₂(S,Se)₃与MXene背电极的相互作用：Sb₂(S,Se)₃薄膜在 (a) 2V和 (b) -2V偏置下的EFM图像；FTO/CdS/Sb₂(S,Se)₃与FTO/CdS/Sb₂(S,Se)₃/MXene样品的(c) XPS谱图，(d) Raman曲线；(e，f) c-AFM图像；(g) Sb₂(S,Se)₃和MXene连接的原子模型示意图。

（图片来源：Advanced Functional Materials）

图4 臭氧处理提高器件的性能：(a) 臭氧处理MXene薄膜过程示意图；(b) 有、无臭氧处理MXene以及Au的KPFM测试，(c) 拉曼光谱图，(d) 能级排列图；(e) 臭氧处理与否的Sb₂(S,Se)₃器件J-V典型曲线。冠军器件的性能和稳定性表征：(f) J-V曲线，(g) EQE光谱响应图，(h) PCE稳定性曲线。(i) 使用不同背接触材料的Sb₂(S_xSe_1-x)₃太阳能电池最高效率统计图。

（图片来源：Advanced Functional Materials）

结论：

团队在Sb₂(S,Se)₃太阳能电池中引入了一种低成本、绿色的2D Mxene（Ti₃C₂T_x）作为器件背接触材料。它提供了一种可替代传统碳和金电极的新策略，并获得了优异的器件性能。这主要得益于其柔性纳米薄片结构与Sb₂(S,Se)₃薄膜背表面通过静电吸附力所形成的紧密接触，并在该界面获得了有利于减少复合的Sb-O化学桥键。此外，通过臭氧处理改变MXene末端基团，可有效调整其功函数，以满足Sb₂(S,Se)₃太阳能电池背接触界面复杂的能带对准需求，这显著提高了器件的空穴收集效率，最终获得了8.29%效率的器件（Voc为0.64 V, Jsc为20.9 mA/cm², FF为62.7%），这是迄今为止报道的无空穴传输层Sb₂(S,Se)₃太阳能电池中的最高效率。本研究为Sb₂(S,Se)₃器件背接触调控工程提供了一种新型的MXene电极，也为低成本的平面Sb₂(S,Se)₃太阳能电池的发展指明了方向。

致谢：

本项目得到了国家自然科学基金项目（NO:61974028；51502037）；福建师范大学宝琛人才计划等项目的支持，谨此感谢。

论文信息：

题目：High-EfficiencySb₂(S,Se)₃ Solar Cells with New Hole Transport Layer-free Back Architecture via 2D Titanium-carbide MXene

作者：Hu Li (李虎), Limei Lin (林丽梅), Liquan Yao (姚丽铨), Fengying Wu (吴凤英), Dong Wei (卫东), Guoliang Liu (刘国梁), Zhigao Huang (黄志高), Shuiyuan Chen ^§ (陈水源), JianminLi ^§ (李建民), Guilin Chen ^§ (陈桂林) （§为通讯作者）