钙钛矿太阳能电池(PSCs)作为近年来迅猛发展的一种新型薄膜太阳能电池，其中无需反溶剂的两步法制备工艺仍面临PbI₂残留等难题。尽管研究发现PbI₂有利于钝化钙钛矿晶界缺陷，但也有研究显示，过量的PbI₂会降低电池的光照稳定性。因此，对于两步法钙钛矿工艺来说，可控调节钙钛矿薄膜中PbI₂残余量十分必要。

为此，东华大学张青红团队利用具有高电导率和丰富表面基团的单层Ti₃C₂T_x MXene纳米片构筑了高反应活性的多孔PbI₂-Ti₃C₂T_x薄膜。相比于致密薄膜，大量微孔及介孔促进了后续MAI的有效渗透、与PbI₂反应，从而显著提高钙钛矿的转化效率，增强对太阳光的捕获。研究发现其孔径可通过改变Ti₃C₂T_x的添加量而实现可控调节，最终获得了含~2% PbI₂残留的钙钛矿薄膜，该残留量与已报道的最适宜含量相当。此外，研究者发现这种多孔的PbI₂-Ti₃C₂T_x薄膜还可容纳晶格膨胀，利于获得更大晶粒尺寸的钙钛矿薄膜。同时，钙钛矿的功函数也因Ti₃C₂T_x的引入而增大，从而具有更加理想的能级排列，加快了载流子的传输与提取。Ti₃C₂T_x的表面基团还可与未配位的Pb²⁺产生相互作用，从而钝化晶界缺陷。最终基于这种极微量(0.03 wt%)的多功能添加剂，结构为FTO/SnO₂/MAPbI₃-Ti₃C₂T_x/Spiro-OMeTAD/Au的平面电池实现了19.27%的光电转化效率，相比于对照器件(16.45%)，效率提升了~18%，并且J-V迟滞现象也有所减弱。第一作者为博士生赵宇，通讯作者为戚佳斌博士、张青红教授。

该研究成果以“Tuning the reactivity of PbI₂ film via monolayer Ti₃C₂T_x MXene for two-step-processed CH₃NH₃PbI₃ solar cells”发表在Chemical Engineering Journal上，表明新兴Ti₃C₂T_x MXene纳米片在钙钛矿太阳电池等新能源材料应用上具有明确的效果及潜力。

图1 (a)Ti₃C₂T_x MXene纳米片的制备示意图，(b)Ti₃AlC₂母相粉体及Ti₃C₂T_x真空抽滤薄膜的XRD图谱，(c)Ti₃C₂T_x纳米片的FESEM图像，(d)HRTEM图像，插图为SAED，(e)AFM图像及实线处对应的高度图，(f) O 1s和(g) F 1s的高分辨XPS图谱。

图2 (a)-(b)PbI₂薄膜的表面和(c)截面FESEM图像，(d)-(e)PbI₂-Ti₃C₂T_x薄膜的表面和(f)截面FESEM图像，(g)基于不同掺杂量Ti₃C₂T_x纳米片修饰的PbI₂薄膜的XRD图谱，(h)-(k)为XRD图谱对应的局部放大图。

图3 (a)基于不同质量分数Ti₃C₂T_x纳米片修饰的PbI₂薄膜和(b)对应的MAPbI₃钙钛矿薄膜退火前的照片。

图4 Ti₃C₂T_x MXene纳米片用于制备高质量两步法钙钛矿薄膜的机理图

图5 (a)和(b)分别为无Ti₃C₂T_x及基于0.03 wt% Ti₃C₂T_x修饰的MAPbI₃钙钛矿薄膜的FESEM图像，标尺为500 nm，(c)和(d)分别为不同掺杂量Ti₃C₂T_x修饰的钙钛矿薄膜的XRD图谱和紫外-可见吸收光谱。

图6 钙钛矿薄膜的UPS图谱对应的(a)二次电子截止边和(b)价带区，(c)平面PSCs的器件结构图和能级结构图。

图7 (a)不同Ti₃C₂T_x掺杂量下最优PSCs的J-V曲线图，(b)EQE曲线和对应的积分电流密度曲线，(c)FTO/SnO₂/MAPbI₃和FTO/SnO₂/MAPbI₃-0.03 wt%Ti₃C₂T_x薄膜的瞬态荧光光谱图，(d)最大功率点处(0.88 V)的稳态电流密度和PCE输出，(e)有无Ti₃C₂T_x掺杂钙钛矿薄膜的Pb 4f XPS图谱，(f) FTO/MAPbI₃/Au和FTO/MAPbI₃-0.03 wt%Ti₃C₂T_x/Au薄膜的I-V曲线图，(g)对照PSCs和基于0.03 wt%Ti₃C₂T_x修饰PSCs的暗态J-V曲线图，(h)正向和反向扫描J-V曲线图和(i)暗态下的阻抗图。

表1 掺杂不同量Ti₃C₂T_x的最佳PSCs光伏参数表

表2 掺杂不同量Ti₃C₂T_x的20片PSCs的平均光伏参数表