【研究背景】

近年來，基於高導電性，親水性和表面官能團可調節等性質，二維Ti3C2Tx MXene材料在鈣鈦礦太陽能電池領域展現出巨大應用潛力。透過對Ti3C2Tx MXene氧化程度的控制，可有效調節該材料的表面官能團和在電池結構中的能級適配度，從而提升其在低溫製備鈣鈦礦太陽能電池的效能。利用Ti3C2Tx MXene及其氧化衍生物，可有效替代如TiO2、ZnO等傳統電子傳輸材料，為可低溫製備、大面積、柔性光電器件等應用提供新選擇。

【工作介紹】

近日，吉林大學王曉峰教授課題組透過對Ti3C2Tx MXene材料氧化程度的調控，發現了該材料由金屬性質到半導體性質的轉變，並基於此製備了以MXene材料單獨作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池。隨著Ti3C2Tx MXene氧化程度的提升，所製備薄膜缺陷逐漸減少，單獨作為電子傳輸層與其他組分能級匹配越來越好，且DFT計算結果與實驗資料具有較高的匹配度，最終實現了18.29%的光電轉換效率。該研究成果以《Performance improvement of MXene-based perovskite solar cells upon property transition from metallic to semiconductive by oxidation of Ti3C2Tx in air》為題發表在國際知名期刊Journal of Materials Chemistry A。課題組博士生楊霖為本文第一作者，王曉峰教授為本文通訊作者。

【內容表述】

如圖1所示，隨著氧化程度的提升，Ti3C2Tx MXene的顏色逐漸變淺，高程度氧化後呈現出灰白色。對其進行形貌分析可以發現，隨著氧化程度提高，表面生長出細小顆粒，最初的層狀結構逐漸被破壞，同時旋塗製備薄膜的缺陷逐漸減少。高程度氧化材料和初始材料混合後，氧化顆粒和單片層均勻混合在一起，所製備薄膜幾乎無缺陷。

圖1. 不同程度氧化的Ti3C2Tx形貌分析

圖2所示為對不同程度氧化Ti3C2Tx的化學成分表徵。低程度氧化時，材料仍會有7°左右的代表Ti3C2Tx的峰，但強度相對較弱。至高程度氧化後，Ti3C2Tx 7°峰消失，層狀結構被破壞，所生成的顆粒為銳鈦礦TiO2和金紅石TiO2的混合相，與形貌表徵結果相對應。

圖2. 對不同程度氧化Ti3C2Tx的化學成分表徵

圖3結果證實了隨著氧化程度的提升，Ti-O逐漸增加的結果。同時證明了高程度氧化和原始層狀材料的成功混合。

圖3. 用X射線光電子能譜對不同程度氧化的Ti3C2Tx進行分析

圖4為電池結構和器件的光伏效能，從中可得高程度氧化Ti3C2Tx材料和原始層狀材料混合後作為電子傳輸層可實現最高效率為18.29%。

圖4. 器件的電池結構和光伏效能

圖5、圖6對不同程度氧化的Ti3C2Tx進行了晶體結構模型搭建和能級的計算。結果表明，隨著氧化程度的提升，材料的功函式會下降，並在高程度氧化時由金屬性質轉變為半導體性質。實驗結果與計算結果在HOMO上高度匹配，表明了Ti3C2Tx氧化處理對其能級匹配度的有效調節。為Ti3C2Tx MXene的進一步應用拓寬了方向。

圖5. 不同程度氧化的Ti3C2Tx晶體結構模型搭建

圖6. 不同程度氧化的Ti3C2Tx態密度計算及電池能級示意圖

【結論】

綜上所述，Ti3C2Tx MXene氧化會在其表面產生更多的Ti-O鍵，並且有效減少了所製備薄膜的缺陷。對其進行結構模擬和能級計算，發現了其由金屬性質到半導體性質的轉變，從而達到了更佳的能級適配度。此外，複合材料電子遷移率的提高，電子傳輸層和鈣鈦礦層介面的電荷重組的減少，使器件的光電轉換效率提升至18.29%，展現了Ti3C2Tx MXene的應用潛力，為可低溫製備、大面積、柔性光電器件等應用提供了新的方向。

Yang, L.; Kan, D.; Dall’Agnese, C.; Dall’Agnese, Y.; Wang, B.; Jena, A.; Wei, Y.; Chen, G.; Wang, X.-F.; Gogosti, Y.; Miyasaka, T. Performance improvement of MXene-based perovskite solar cells upon property transition from metallic to semiconductive by oxidation of Ti3C2Tx in air, J. Mater. Chem. A. (2021) DOI:10.1039/D0TA11397B