第一作者：Jin Hyuck Heo，Fei Zhang

通讯作者：Sang Hyuk Im，朱凯

通讯单位：韩国高丽大学，美国可再生能源国家实验室

研究亮点：

1.报道了利用氧化Ti3C2Tx MXene（OMXene）对CsPbI3进行表面处理。

2.（OMXene）表面处理提高了器件的效率和稳定性。

3. 0.096 cm2和25 cm2的CsPbI3/OMXen器件效率分别为19.69%和14.64%。

4、25 cm2的微型器件在高湿、高热和高光下表现出良好的稳定性。

一、CsPbI3待解决的关键问题：

目前，大多数关于CsPbI3xBrx PSC的研究都集中在n-i-p结构上，n-i-p结构CsPbI3PSC的PCE最高为21.0%。然而，具有双端结构的钙钛矿/硅串联太阳能电池具有高效和稳定的p-i-n结构受到青睐。此外，p-i-n型PSC通常比n-i-p型PSC更稳定。目前，开发p-i-n结构的CsPbIxBr3x PSC明显落后于n-i-p的开发。尽管CsPbI3xBrx具有热稳定性，但其水分稳定性本质上很弱，当暴露于水分时，它很容易经历从光活性黑色相到非活性黄色（δ）相的相变。因此，开发一种高效、稳定的具有p-i-n结构的CsPbI3 PSC且适合作为钙钛矿/硅串联器件的电池的仍然是一个挑战。

二、成果简介

有鉴于此，高丽大学Hyu kIm和美国可再生能源国家实验室朱凯等人将CsPbI3前驱体喷涂在铟掺杂氧化锡(ITO)/聚三芳胺(PTAA)衬底上，再将CsPbI3前驱体与预氧化Ti3C2Tx MXene (OMXene)板上，形成稳定的CsPbI3基钙钛矿层。连续喷涂使OMXene-CsPbI3复合表面层形成，不仅提供了一个防止水分进入的保护屏障，而且增强了与ETL界面上的强电场的电荷分离。采用这种基于OMXene的表面工程方法，制备的具有p-i-n结构的CsPbI3/OMXene PSCs的PCE高达19.69%。此外， 封装的CsPbI3/OMXene微型模块(25 cm2)在湿热(85 C/85%相对湿度[RH])和日光下浸泡1000 h以上的条件下表现出良好的稳定性。

四、结果与讨论

要点1：Ti3C2Tx MXene的氧化控制

图1 MXene和OMXene（氧化MXene）的表征

研究人员将剥落的MXene分散在50℃的H2O和NaOH中搅拌，在其表面形成锐钛矿型TiO2，从图1中可以观察到大的MXene纳米片，表明从MAX中剥离的MXene随着反应时间的增加氧化量增多，反应12小时后，大部分MXene被氧化，分散液变白。随着MXene氧化反应的进行，化学键和组成也发生了明显的变化，通过进一步研究比较氧化时间对导电性的影响，认为反应6小时后（OMXene-6h）样品是最合适作为电荷载流子传输层。

要点2：OMXene-CsPbI3复合表面层

图2无OMXene-CsPbI3复合层和有OMXene-CsPbI3复合层的CsPbI3钙钛矿薄膜的表征

通过分析具有和不具有OMXene-CsPbI3复合表面层的CsPbI3钙钛矿薄膜的光致发光（PL）特性，研究了OMXene-6h的电荷载流子传输性能。分析认为没有OMXene钙钛矿复合材料比有OMXene钙钛矿复合材料的钙钛矿薄膜具有更强的PL强度，并且两个样品的PL寿命分别约为7.4和3.5 ns。

要点3：器件特性

图3无（对照）和有OMXene-CsPbI3复合层（OMXene）的CsPbI3 PSC的光电特性

研究表明，OMXene-6h器件的效率随着分散体浓度的增加而稳步提高，在10 wt.%时性能达到峰值。在100 s内，控制装置的PCE从初始值16.42%缓慢增加至稳定值17.33%，而OMXene-6h装置的PCE在初始值19.39%和最终值19.52%之间几乎没有任何差异。为了从电荷分离和电荷传输过程的角度进一步了解OMXene在提高器件效率方面的作用，研究者又对有无OMXene的器件进行了扫描KPFM测量，结果表明经OMXene处理的器件与无处理器件相比具有更好的性能。

五、小结

综上所示，作者提出了一种基于OMXene的表面处理技术，可显著提高p-i-n结构CsPbI3 PSC的效率和稳定性。通过喷涂CsPbI3和CsPbI3/OMXene前驱体溶液，形成OMXene-CsPbI3复合层，控制MXene氧化时间来调节OMXene的电子特性。

OMXene-6h样品显示出适当的HOMO和LUMO值，分别为-7.35和-3.9 eV，形成锐钛矿型TiO2电子传输层，电导率为16.9 mS。PL映射、静态PL和TRPL结果所示，OMXene表面层有助于电荷载流子提取。KPFM测量结果进一步支持了这些结果，表明OMXene表面处理增强了钙钛矿/ETL界面的电场，并拓宽了钙钛矿层的耗竭区。

通过OMXene表面保护方法，作者获得了一种高效的p-i-n CsPbI3 PSC，在1-sun条件下，VOC为1.21 V，JSC为19.86 mA/cm2，FF为81.96%，PCE为19.69%。此外，孔径面积为25 cm2的CsPbI3/OMXene钙钛矿器件在（85℃/85%RH）条件下和1-sun条件照射1000小时以上，PCE为14.64%，稳定性良好。

六、参考文献

Surface engineering with oxidized Ti3C2Tx MXene enables efficient and stable p-i-n-structured CsPbI3 perovskite solar cells, Joule (2022), https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.05.013

Doi:org/10.1016/j.joule.2022.05.013

Sang Hyuk Im:韩国高丽大学化学与生物工程系教授，纳米能量融合系统实验室PI。 研究领域： 无机半导体敏化太阳能电池、量子点敏化太阳能电池和钙钛矿光电器件。

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