MXene摻雜電子傳輸層：開啟鈣鈦礦太陽能電池光伏性能提升新征程一、引言1.1研究背景與意義在全球能源需求持續(xù)增長和環(huán)境問題日益嚴峻的雙重壓力下，開發(fā)高效、可持續(xù)的清潔能源技術已成為當務之急。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，其利用技術的發(fā)展對于緩解能源危機和減少環(huán)境污染具有重要意義。太陽能電池作為將太陽能直接轉化為電能的關鍵器件，近年來受到了廣泛的關注和深入的研究。鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）作為新一代光伏技術的有力競爭者，在過去十幾年中取得了飛速發(fā)展。其功率轉換效率（PCE）從最初的3.8%迅速提升至目前認證的單結最高效率26.1%，全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池更是突破30%。這一效率提升速度遠遠超過了傳統(tǒng)的硅基太陽能電池，使得鈣鈦礦太陽能電池在光伏領域展現(xiàn)出巨大的潛力。鈣鈦礦太陽能電池具有諸多優(yōu)勢，除了高效的光電轉換性能外，其核心材料成本低廉，且可通過溶液制備技術進行加工，工藝簡單，這為大規(guī)模生產(chǎn)和降低成本提供了可能。同時，鈣鈦礦材料的可柔性化特點，使其能夠制備成柔性器件，拓展了其在建筑一體化、可穿戴設備等領域的應用前景。盡管鈣鈦礦太陽能電池取得了顯著的進展，但要實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用，仍面臨一些關鍵挑戰(zhàn)。其中，穩(wěn)定性和可靠性問題是阻礙其商業(yè)化的主要瓶頸之一。在長期光照、濕度和高溫等實際使用環(huán)境下，鈣鈦礦材料容易發(fā)生降解，導致電池性能下降。此外，電荷傳輸層材料的性能也對電池的整體性能有著至關重要的影響。電子傳輸層（ETL）作為鈣鈦礦太陽能電池的重要組成部分，其主要作用是高效地提取和傳輸光生電子，同時阻止空穴的傳輸，以減少電荷復合，提高電池的光電轉換效率。因此，尋找具有良好光電性能和與鈣鈦礦層相匹配能級的電子傳輸層材料，對于提高鈣鈦礦太陽能電池的性能和穩(wěn)定性具有關鍵作用。MXene作為一類新型的二維材料，自2011年首次被報道以來，因其獨特的物理化學性質而受到廣泛關注。MXene具有金屬電導率、高載流子遷移率、優(yōu)異的光學透明度、大幅可調的功函數(shù)和優(yōu)越的機械性能等特點。這些特性使得MXene在太陽能電池應用中展現(xiàn)出巨大的潛力，成為一類具有前途的材料。通過對MXene的表面官能團進行調控，可以實現(xiàn)其功函數(shù)的精確調整，這對于優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池中吸收層和電荷傳輸層之間的能帶對齊，提高電荷載流子的提取和收集效率至關重要。將MXene引入電子傳輸層，有望降低界面復合電阻，提供平穩(wěn)的電荷傳輸通路，從而提高電池的導電性和工作穩(wěn)定性。近年來，將MXene摻雜到電子傳輸層中以改善鈣鈦礦太陽能電池性能的研究逐漸成為熱點。眾多研究表明，MXene的引入能夠有效改善電子傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面接觸，鈍化界面缺陷，促進電荷的高效傳輸，進而提高電池的光電轉換效率和穩(wěn)定性。通過在SnO?電子傳輸層中引入MXene，調節(jié)了SnO?的分散性，誘導了鈣鈦礦的垂直生長，抑制了界面應力的集中，獲得了低缺陷的鈣鈦礦薄膜，使器件的PCE提高了15%，短路電流高達25.07mAcm?2，且在相對濕度為30-40%的環(huán)境空氣中儲存500小時后，未封裝器件仍能保持約90%的初始效率。本研究旨在深入探究MXene摻雜電子傳輸層對鈣鈦礦太陽能電池光伏性能的影響機制，通過優(yōu)化MXene的摻雜方式和含量，制備出高性能、高穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽能電池。這不僅有助于進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的性能，推動其商業(yè)化進程，還將為新型二維材料在光伏領域的應用提供理論和實驗依據(jù)，具有重要的科學研究價值和實際應用意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，隨著鈣鈦礦太陽能電池研究的深入，MXene在電子傳輸層中的應用逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點。眾多研究表明，MXene獨特的物理化學性質使其在改善鈣鈦礦太陽能電池性能方面展現(xiàn)出巨大的潛力。在國外，美國德雷塞爾大學的YuryGogotsi團隊作為最早發(fā)現(xiàn)和研究MXene的團隊之一，在MXene材料的基礎研究方面做出了重要貢獻，為MXene在鈣鈦礦太陽能電池中的應用奠定了理論基礎。韓國科學家在MXene基電子傳輸層的研究上取得了一系列成果，他們通過對MXene表面官能團的調控，優(yōu)化了電子傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面接觸，有效提高了電荷傳輸效率。例如，通過引入特定的表面官能團，降低了界面電阻，減少了電荷復合，從而提升了電池的光電轉換效率。國內(nèi)的科研團隊也在該領域積極探索，取得了令人矚目的進展。中科院化學所李明珠團隊報道了使用SnO?-MXene復合電子傳輸層用于PSC，引入的MXene調節(jié)了SnO?分散并誘導PVK垂直生長，MXene和鈣鈦礦的晶格匹配抑制了界面應力的集中，從而獲得了低缺陷的鈣鈦礦薄膜。與SnO?基器件相比，SnO?-MXene基器件的PCE提高了15%，短路電流高達25.07mAcm?2，效率可達23%。此外，即使在環(huán)境空氣中相對濕度為30-40%的條件下存儲500小時后，未封裝的設備仍保持其初始效率的約90%，為設計金屬鹵化物鈣鈦礦和ETL之間的界面鈍化提供了途徑。西交利物浦大學及其他國內(nèi)外高校的研究人員使用功能化MXene來改善鈣鈦礦太陽能電池的性能，通過調整MXene的化學結構調節(jié)了電子傳輸層的電學性能，減少了電子運動的阻礙，使電池的能量轉換效率接近現(xiàn)階段市面上所有鈣鈦礦太陽能電池能達到的最高值25.7%，且電池的空氣穩(wěn)定性和運行穩(wěn)定性均獲得了提升。安徽大學陳志亮團隊從器件物理的角度，通過超聲靜電自組裝機制形成SnO?量子點-Ti?C?TxMXene量子點復合型抗反射電子傳輸層，有效加強了界面的電荷抽取能力，并促進了鈣鈦礦的高質量沉積。同時，通過高導電性且表面官能團豐富的Ti?C?TxMXene量子點修飾鈣鈦礦薄膜，鈍化鈣鈦礦多晶薄膜固有的缺陷和晶界，改善鈣鈦礦薄膜內(nèi)的載流子傳輸，器件最終獲得了23.47%的PCE，并具備良好的光/濕/熱穩(wěn)定性，解決了鈣鈦礦電池器件穩(wěn)定性與效率協(xié)同提升的難題。盡管國內(nèi)外在MXene摻雜電子傳輸層改善鈣鈦礦太陽能電池光伏性能方面取得了一定的成果，但目前的研究仍存在一些不足之處。一方面，對于MXene與電子傳輸層材料之間的相互作用機制以及MXene對鈣鈦礦太陽能電池性能影響的微觀機理尚未完全明晰，這限制了對材料和器件性能的進一步優(yōu)化。另一方面，現(xiàn)有的研究大多集中在實驗室規(guī)模的制備和性能測試，距離大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)仍有一定的差距，如制備工藝的復雜性、成本的控制以及穩(wěn)定性和重復性等問題有待解決。此外，MXene在不同類型鈣鈦礦太陽能電池體系中的普適性研究還不夠充分，如何實現(xiàn)MXene在各種結構和組分的鈣鈦礦太陽能電池中都能發(fā)揮良好的性能提升作用，也是未來研究需要關注的重點。1.3研究內(nèi)容與方法本研究圍繞MXene摻雜電子傳輸層對鈣鈦礦太陽能電池光伏性能的影響展開，具體研究內(nèi)容如下：MXene的制備與表征：采用合適的方法制備高質量的MXene材料，如化學刻蝕法等。通過X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等手段對制備的MXene進行結構和形貌表征，分析其晶體結構、層狀結構以及表面形態(tài)等特征。利用X射線光電子能譜（XPS）、拉曼光譜等技術對MXene的表面化學組成和官能團進行分析，明確其表面化學性質。摻雜電子傳輸層的制備與性能研究：將制備好的MXene以不同的比例摻雜到常見的電子傳輸層材料中，如SnO?、TiO?等，通過溶液旋涂、化學浴沉積等方法制備出摻雜的電子傳輸層薄膜。運用紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）、光致發(fā)光光譜（PL）等手段研究摻雜電子傳輸層的光學性能，分析其對光的吸收和發(fā)射特性的影響。采用電化學工作站測試摻雜電子傳輸層的電學性能，包括載流子遷移率、電導率等，探究MXene摻雜對電子傳輸層電學性能的改善機制。鈣鈦礦太陽能電池的制備與性能測試：以摻雜了MXene的電子傳輸層為基礎，采用一步旋涂法、兩步旋涂法或氣相沉積法等制備鈣鈦礦太陽能電池。對制備的鈣鈦礦太陽能電池進行全面的性能測試，包括電流-電壓（J-V）曲線測試，計算其開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）和功率轉換效率（PCE）等關鍵性能參數(shù)；通過外量子效率（EQE）測試，分析電池在不同波長光照下的光電轉換效率，了解其光譜響應特性。穩(wěn)定性研究：對制備的鈣鈦礦太陽能電池進行穩(wěn)定性測試，包括在不同環(huán)境條件下（如高溫、高濕度、光照等）的老化實驗，監(jiān)測電池性能隨時間的變化，評估MXene摻雜對電池穩(wěn)定性的提升效果。通過熱重分析（TGA）、差示掃描量熱分析（DSC）等方法研究鈣鈦礦材料在不同條件下的熱穩(wěn)定性，結合XRD、SEM等表征手段，分析電池性能衰退的原因，探究MXene摻雜對鈣鈦礦材料熱穩(wěn)定性和結構穩(wěn)定性的影響機制。界面相互作用與電荷傳輸機制研究：利用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、原子力顯微鏡（AFM）等技術研究電子傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面微觀結構，分析MXene摻雜對界面平整度、界面缺陷以及界面結合力的影響。通過瞬態(tài)光電流譜（TPC）、瞬態(tài)光電壓譜（TPV）等技術研究電池內(nèi)部的電荷傳輸和復合過程，結合密度泛函理論（DFT）計算，深入探討MXene摻雜改善電荷傳輸效率、降低電荷復合的微觀機制，明確MXene在鈣鈦礦太陽能電池中的作用機制。在研究方法上，本研究采用實驗研究與理論分析相結合的方式。實驗研究方面，通過化學合成、材料制備和器件加工等實驗手段，制備出不同MXene摻雜比例的電子傳輸層和鈣鈦礦太陽能電池，并對其進行全面的性能測試和表征分析，以獲取實驗數(shù)據(jù)和結果。理論分析方面，運用密度泛函理論（DFT）、第一性原理計算等方法，從原子和分子層面研究MXene與電子傳輸層材料之間的相互作用、電荷分布以及能帶結構等，為實驗結果提供理論解釋和指導，深入揭示MXene摻雜改善鈣鈦礦太陽能電池光伏性能的內(nèi)在機制。二、鈣鈦礦太陽能電池與MXene材料概述2.1鈣鈦礦太陽能電池基本原理與結構2.1.1工作原理鈣鈦礦太陽能電池的工作原理基于光生伏特效應，這是一種在光照條件下將光能直接轉化為電能的物理現(xiàn)象。其具體過程涉及多個關鍵步驟，包括光子吸收、激子產(chǎn)生與擴散、激子解離、載流子傳輸以及電荷收集，這些步驟協(xié)同作用，實現(xiàn)了太陽能到電能的高效轉換。當太陽光照射到鈣鈦礦太陽能電池時，位于電池核心位置的鈣鈦礦光吸收層首先發(fā)揮作用。鈣鈦礦材料具有獨特的晶體結構和光電特性，其吸光系數(shù)高，能夠有效地吸收能量高于其帶隙的光子。在光子能量的激發(fā)下，鈣鈦礦材料中的電子從價帶躍遷到導帶，形成電子-空穴對，即激子。這一過程是光生伏特效應的起始步驟，也是整個能量轉換過程的基礎，其效率直接影響著電池最終的光電轉換性能。產(chǎn)生的激子在鈣鈦礦光吸收層內(nèi)并非靜止不動，而是會在晶體內(nèi)部進行擴散運動。由于鈣鈦礦材料具有較長的激子擴散長度，這使得激子在擴散過程中發(fā)生復合的幾率相對較小，從而能夠大概率地擴散到光吸收層與傳輸層的界面處。激子的有效擴散是確保后續(xù)電荷分離和傳輸過程順利進行的重要前提，它保證了光生載流子能夠到達界面，為進一步的能量轉換創(chuàng)造條件。當激子擴散到鈣鈦礦光吸收層與傳輸層的界面時，由于界面處存在內(nèi)建電場，在該電場的作用下，激子發(fā)生解離，成為自由載流子，即自由電子和自由空穴。鈣鈦礦材料較小的激子結合能使得激子在界面處易于解離，這一特性為電荷的有效分離提供了有利條件。激子的解離是光生伏特效應中的關鍵步驟，它實現(xiàn)了光生載流子的分離，為后續(xù)的電荷傳輸和收集奠定了基礎。激子解離后產(chǎn)生的自由電子和自由空穴分別通過不同的傳輸路徑進行傳輸。自由電子通過電子傳輸層向陰極傳輸，而自由空穴則通過空穴傳輸層向陽極傳輸。電子傳輸層和空穴傳輸層在電池中起著至關重要的作用，它們不僅要具備良好的電荷傳輸性能，還需要與鈣鈦礦光吸收層實現(xiàn)良好的能級匹配，以確保電荷能夠高效地傳輸，同時減少電荷復合的發(fā)生。合適的電子傳輸層應具有與鈣鈦礦導帶相匹配的能級，能夠有效地接收和傳輸光生電子；而空穴傳輸層則應與鈣鈦礦價帶能級匹配，促進空穴的傳輸。如果傳輸層與鈣鈦礦層之間的能級不匹配，將會導致電荷傳輸受阻，增加電荷復合的概率，從而降低電池的光電轉換效率。傳輸?shù)诫姌O的自由電子和自由空穴被電極收集，在兩極之間形成電勢差。當電池與外加負載構成閉合回路時，回路中就會形成電流，從而實現(xiàn)了將太陽能轉化為電能的過程，為外部設備提供電力。電荷的有效收集是光生伏特效應的最終環(huán)節(jié)，它直接決定了電池輸出電能的質量和效率。為了實現(xiàn)高效的電荷收集，電極材料需要具備良好的導電性和與傳輸層相匹配的功函數(shù)，以確保電荷能夠順利地從傳輸層轉移到電極，并輸出到外部電路。2.1.2電池結構典型的鈣鈦礦太陽能電池具有層狀結構，主要由透明導電基底、電子傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、空穴傳輸層和金屬對電極等部分組成，這些部分相互協(xié)作，共同實現(xiàn)了太陽能到電能的轉換過程。透明導電基底作為電池的起始層，通常由具有高透光率、良好導電性能和霧度控制的透明導電氧化物鍍膜玻璃制成，如氟摻雜氧化錫（FTO）玻璃或氧化銦錫（ITO）玻璃。其主要作用是為電池器件的其他各層提供物理支撐，確保太陽光能夠順利透過，進入電池內(nèi)部，同時有效地收集由鈣鈦礦層產(chǎn)生的電流，并將其傳輸?shù)酵獠侩娐?。透明導電基底的性能對電池的整體性能有著重要影響，其透光率直接關系到電池對太陽光的吸收效率，而導電性能則影響著電流的傳輸效率。如果基底的透光率不足，將會導致部分太陽光無法被電池吸收利用，從而降低電池的光電轉換效率；而如果導電性能不佳，則會增加電池的內(nèi)部電阻，導致電流傳輸過程中的能量損耗增加，同樣會降低電池的性能。因此，選擇合適的透明導電基底材料和優(yōu)化其制備工藝，對于提高鈣鈦礦太陽能電池的性能至關重要。電子傳輸層位于透明導電基底之上，其主要功能是高效地收集和傳輸由鈣鈦礦層產(chǎn)生的電子，同時阻擋空穴向陰極方向移動，避免空穴-電子對分離不徹底，從而減少載流子在電池內(nèi)部的積累，降低電荷復合的概率。為了實現(xiàn)這些功能，電子傳輸層材料需要滿足一系列嚴格的要求。首先，它必須與鈣鈦礦層達成合格的能級匹配，這一點至關重要，因為能級匹配程度直接影響著電荷的注入和復合效率。如果電子傳輸層與鈣鈦礦層的能級不匹配，電荷注入將受到阻礙，同時會增加電荷復合的可能性，導致電池性能下降。其次，電子傳輸層應具有足夠小的缺陷態(tài)，因為缺陷態(tài)會成為電荷復合的中心，影響電荷的傳輸和收集效率。高的電子遷移率也是電子傳輸層材料所必需的，它能夠確保電子在傳輸過程中快速移動，提高電荷的傳輸和收集效率。此外，電子傳輸層還需要有較光滑的表面形貌，這對于鈣鈦礦薄膜的質量和界面接觸有著重要影響。光滑的表面能夠促進鈣鈦礦薄膜的均勻生長，減少界面缺陷，從而提高電池的性能。在正式結構的電池中，電子傳輸層還需要有較好的光透過率，以保證太陽光能夠順利到達鈣鈦礦光吸收層。常見的電子傳輸層材料主要包含TiO?、SnO?、Al?O?等金屬氧化物和一些有機物材料，不同的材料具有各自獨特的性能特點，在實際應用中需要根據(jù)具體需求進行選擇和優(yōu)化。鈣鈦礦光吸收層是電池的核心部分，也是實現(xiàn)光電轉換的關鍵所在。它通常由有機金屬鹵化物半導體構成，其晶體結構為ABX?，其中A為有機陽離子，如CH?NH??、NH?CH=NH??等；B為金屬陽離子，如Pb2?、Sn2?等；X為鹵素陰離子，如I?、Br?、Cl?等。鈣鈦礦材料具有優(yōu)異的光吸收性能和電荷分離能力，能夠有效地吸收太陽光并產(chǎn)生激子，即電子-空穴對。在光吸收過程中，鈣鈦礦材料的吸光系數(shù)高，能夠充分吸收太陽光中的能量，將其轉化為光生載流子。其電荷分離能力也很強，能夠在光生載流子產(chǎn)生后，迅速將電子和空穴分離，為后續(xù)的電荷傳輸提供條件。鈣鈦礦材料還具有成本低廉、工藝簡單、可大面積制備和低溫處理等優(yōu)點，這些特性使得它在太陽能電池領域具有廣闊的應用前景。然而，鈣鈦礦材料也存在一些不足之處，如穩(wěn)定性較差，在長期光照、濕度和高溫等環(huán)境條件下容易發(fā)生降解，導致電池性能下降，這也是目前鈣鈦礦太陽能電池研究中需要解決的關鍵問題之一?？昭▊鬏攲游挥阝}鈦礦光吸收層之上，主要負責傳輸鈣鈦礦層產(chǎn)生的空穴載流子，并阻擋電子在該層的遷移，同時還起到防止鈣鈦礦層與電極直接接觸引起電池內(nèi)部電路短路的作用。為了實現(xiàn)高效的空穴傳輸和良好的阻擋電子性能，空穴傳輸層材料需要具備一系列特定的性能。首先，其空穴轉移速率必須很快，以確?？昭軌蜓杆俚貜拟}鈦礦層傳輸?shù)诫姌O，減少空穴在傳輸過程中的復合。合適的帶隙與鈣鈦礦吸光層相匹配也是至關重要的，這有助于促進空穴的傳輸，同時避免電子的反向傳輸。在反式結構的電池中，空穴傳輸層還需要有較好的光透過率，以保證太陽光能夠順利到達鈣鈦礦光吸收層。常見的空穴傳輸層材料主要可分為以Spiro-OMeTAD、PTAA、PDPPDBTE等為代表的有機類材料和以NiO、CuI、CuSCN、CuO、Cu?O等為代表的無機類材料，不同類型的材料在空穴傳輸性能、穩(wěn)定性和制備工藝等方面存在差異，需要根據(jù)具體的電池結構和應用需求進行選擇和優(yōu)化。金屬對電極作為電池的最后一層，主要作用是收集由空穴傳輸層傳輸來的空穴（在正結電池中）或由電子傳輸層傳輸來的電子（在反結電池中），并與透明導電氧化物基底形成完整的電流回路，從而實現(xiàn)電池的電能輸出。金屬對電極材料需要具備優(yōu)異的導電性，以確保電荷能夠快速地在電極中傳輸，減少電阻損耗。合適的帶隙從而與空穴傳輸層或電子傳輸層相匹配也是必要的，這有助于提高電荷的收集效率，降低電荷復合的概率。通常，正結鈣鈦礦電池一般采用Au作為電極材料，因為Au具有良好的導電性和化學穩(wěn)定性，能夠有效地收集空穴；反結鈣鈦礦電池一般采用Ag作為電極材料，Ag同樣具有較高的導電性，且成本相對較低，適合在反結電池中使用。除了Au和Ag之外，Al等其他導電金屬也在一些研究中被用作金屬對電極材料，不同的金屬材料在電池性能、成本和制備工藝等方面各有優(yōu)劣，需要綜合考慮多種因素進行選擇。2.2鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能指標2.2.1光電轉換效率光電轉換效率（PCE）是衡量鈣鈦礦太陽能電池性能的關鍵指標，它反映了電池將入射光能轉化為電能的能力，通常以百分比表示。其定義為電池輸出的最大電功率與入射光的光功率之比，計算公式為：PCE=\frac{P_{max}}{P_{in}}\times100\%=\frac{V_{oc}\timesJ_{sc}\timesFF}{P_{in}}\times100\%其中，P_{max}是電池輸出的最大電功率，P_{in}是入射光的光功率，V_{oc}為開路電壓，J_{sc}為短路電流密度，F(xiàn)F為填充因子。該指標綜合體現(xiàn)了電池在光吸收、電荷分離、傳輸以及收集等多個環(huán)節(jié)的性能表現(xiàn)，是評估電池性能優(yōu)劣的重要依據(jù)，對于推動鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應用具有關鍵意義，較高的光電轉換效率意味著電池能夠更有效地利用太陽能，降低發(fā)電成本，提高經(jīng)濟效益。影響鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率的因素眾多，其中光吸收是首要環(huán)節(jié)。鈣鈦礦材料的光吸收特性直接決定了其對太陽光能量的捕獲能力。具有高吸光系數(shù)和寬光譜響應范圍的鈣鈦礦材料能夠更充分地吸收太陽光，從而為后續(xù)的光電轉換提供更多的光生載流子，奠定提高光電轉換效率的基礎。若鈣鈦礦材料的吸光系數(shù)較低或光譜響應范圍較窄，將導致部分太陽光能量無法被有效吸收利用，進而限制光電轉換效率的提升。電荷分離與傳輸過程對光電轉換效率也有著至關重要的影響。在鈣鈦礦太陽能電池中，光生載流子的高效分離和快速傳輸是實現(xiàn)高光電轉換效率的關鍵。理想情況下，光生電子和空穴應能夠迅速分離，并分別通過電子傳輸層和空穴傳輸層快速傳輸至電極，以減少電荷復合的發(fā)生。然而，實際過程中，電荷傳輸層的性能、界面質量以及材料中的缺陷等因素都會影響電荷的分離和傳輸效率。如果電荷傳輸層的電子遷移率或空穴遷移率較低，將會導致電荷傳輸速度減慢，增加電荷復合的概率，從而降低光電轉換效率；傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面存在缺陷或能級不匹配，也會阻礙電荷的傳輸，影響電池性能。電荷復合是降低光電轉換效率的主要因素之一。在鈣鈦礦太陽能電池中，電荷復合主要包括體相復合、界面復合和表面復合。體相復合是指光生載流子在鈣鈦礦材料內(nèi)部發(fā)生的復合，這通常與材料的缺陷、雜質以及晶體結構的完整性有關。界面復合則發(fā)生在鈣鈦礦層與電荷傳輸層的界面處，界面處的能級不匹配、缺陷態(tài)以及界面粗糙度等因素都會促進界面復合的發(fā)生。表面復合是指光生載流子在電池表面與環(huán)境中的物質發(fā)生的復合，例如與氧氣、水分等發(fā)生反應。為了提高光電轉換效率，需要采取有效的措施來抑制電荷復合，如優(yōu)化材料的制備工藝，減少材料中的缺陷；通過界面工程，改善電荷傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面接觸，降低界面復合；對電池進行封裝，防止電池表面與環(huán)境物質接觸，減少表面復合。2.2.2開路電壓、短路電流與填充因子開路電壓（V_{oc}）是指在沒有外接負載（即開路）的情況下，鈣鈦礦太陽能電池兩極之間的電勢差，單位為伏特（V）。其產(chǎn)生原理基于光生伏特效應，當太陽光照射到鈣鈦礦太陽能電池時，鈣鈦礦光吸收層吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對，電子和空穴在電場的作用下分別向電池的兩極移動，在兩極之間形成電勢差。隨著光生載流子的不斷積累，兩極之間的電勢差逐漸增大，當達到一定程度時，光生載流子的產(chǎn)生與復合達到動態(tài)平衡，此時兩極之間的電勢差即為開路電壓。開路電壓是衡量電池性能的重要指標之一，它直接影響著電池的輸出電壓和能量轉換效率。一般來說，開路電壓越高，電池在相同光照條件下輸出的電能就越多，能量轉換效率也越高。開路電壓的大小與鈣鈦礦材料的帶隙、電荷傳輸層的能級匹配以及電池內(nèi)部的電荷復合等因素密切相關。鈣鈦礦材料的帶隙越大，理論上開路電壓就越高，因為較大的帶隙意味著光生載流子需要更高的能量才能產(chǎn)生，從而在兩極之間形成更高的電勢差；電荷傳輸層與鈣鈦礦層之間的能級匹配良好，能夠有效地促進電荷的傳輸，減少電荷復合，從而提高開路電壓；而電池內(nèi)部的電荷復合會導致光生載流子的損失，降低兩極之間的電勢差，進而降低開路電壓。短路電流（J_{sc}）是指在短路條件下（即電池兩端直接連接，負載電阻為零），通過鈣鈦礦太陽能電池的電流密度，單位為毫安每平方厘米（mA/cm?2）。當電池處于短路狀態(tài)時，光生載流子能夠迅速通過外電路形成電流。短路電流的大小取決于電池對光的吸收能力、光生載流子的產(chǎn)生效率以及電荷的傳輸和收集效率。電池對光的吸收能力越強，能夠吸收的光子數(shù)量就越多，從而產(chǎn)生的光生載流子也就越多，為形成較大的短路電流提供了基礎。光生載流子的產(chǎn)生效率也至關重要，如果光生載流子的產(chǎn)生效率較低，即使吸收了大量的光子，也無法產(chǎn)生足夠的光生載流子，從而限制短路電流的大小。電荷的傳輸和收集效率同樣影響著短路電流，若電荷在傳輸過程中受到阻礙，或者在電極處的收集效率較低，都會導致部分光生載流子無法形成電流，從而降低短路電流。短路電流是評估電池性能的重要參數(shù)之一，它反映了電池在給定光照條件下能夠輸出的最大電流，對于電池的實際應用具有重要意義，較大的短路電流意味著電池能夠提供更強的電力輸出，滿足更多的用電需求。填充因子（FF）是指在最大功率點處，電池的輸出功率與開路電壓和短路電流乘積的比值，它是衡量電池輸出特性的重要參數(shù)，反映了電池在實際工作狀態(tài)下的性能優(yōu)劣。填充因子的計算公式為：FF=\frac{P_{max}}{V_{oc}\timesJ_{sc}}其中，P_{max}是電池輸出的最大功率，V_{oc}為開路電壓，J_{sc}為短路電流。填充因子的數(shù)值范圍在0到1之間，其值越接近1，表明電池的輸出特性越接近理想狀態(tài)，電池在實際工作中的效率越高。填充因子受到多種因素的影響，其中電池的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻起著關鍵作用。串聯(lián)電阻主要包括電極電阻、電荷傳輸層電阻以及鈣鈦礦層電阻等，串聯(lián)電阻的存在會導致電流在傳輸過程中產(chǎn)生電壓降，從而降低電池的輸出電壓和功率，使填充因子減小。并聯(lián)電阻則主要由電池內(nèi)部的漏電和缺陷等因素引起，并聯(lián)電阻會導致部分電流繞過負載直接流回電池內(nèi)部，造成能量損失，同樣會降低填充因子。電池的界面特性、光照強度以及溫度等因素也會對填充因子產(chǎn)生影響。良好的界面特性能夠促進電荷的傳輸和收集，減少電荷復合，從而提高填充因子；光照強度和溫度的變化會影響電池的內(nèi)部特性，進而影響填充因子的大小。在實際應用中，通過優(yōu)化電池的結構和制備工藝，降低串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，改善界面特性等措施，可以有效地提高填充因子，提升電池的性能。2.3MXene材料特性與應用潛力2.3.1結構與特性MXene是一類新型的二維材料，自2011年首次被報道以來，因其獨特的結構和優(yōu)異的性能而受到廣泛關注。其結構通式為M_{n+1}X_{n}T_{x}（n=1,2,3），其中M代表早期過渡金屬，如Ti、V、Mo等；X為碳或氮；T_{x}表示表面官能團，如-OH、-F、-O等。這種獨特的結構賦予了MXene一系列優(yōu)異的性能。從結構上看，MXene具有典型的二維層狀結構，類似于石墨烯，由過渡金屬原子與碳或氮原子通過共價鍵連接形成的二維平面層，層與層之間通過較弱的范德華力相互作用。這種層狀結構使得MXene具有高的比表面積，理論上可以提供大量的活性位點，有利于電荷傳輸和物質交換。例如，在一些研究中，通過掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）對MXene的微觀結構進行觀察，發(fā)現(xiàn)其層狀結構清晰，層間距可以通過表面官能團的調控以及插層等方法進行調整，這為其在不同領域的應用提供了基礎。MXene具有優(yōu)異的電學性能，其電導率可與金屬相媲美，甚至在某些情況下超過傳統(tǒng)金屬。這是由于其內(nèi)部的電子結構特點，過渡金屬原子的d電子與碳或氮原子的p電子之間的相互作用，形成了獨特的電子傳導路徑，使得電子在MXene中能夠快速傳輸。研究表明，一些MXene材料的電導率可以達到10^{4}-10^{6}S/cm，這一特性使得MXene在電子器件、電極材料等領域具有巨大的應用潛力。例如，在超級電容器中，高電導率的MXene作為電極材料，可以有效降低電極的內(nèi)阻，提高電荷存儲和釋放的速度，從而提升超級電容器的功率密度和充放電性能。MXene還表現(xiàn)出良好的光學性能。在光吸收方面，MXene對可見光和近紅外光具有較強的吸收能力，這使其在光電器件如光電探測器、光催化劑等領域具有潛在的應用價值。其吸收特性可以通過調節(jié)表面官能團和結構來進行優(yōu)化。通過改變表面官能團的種類和數(shù)量，可以改變MXene的能帶結構，從而調節(jié)其對不同波長光的吸收能力。MXene還具有一定的光學透明性，在某些應用中，如透明導電電極，這種光學透明性與高導電性相結合，使其成為一種有競爭力的材料選擇。在一些研究中，制備的MXene薄膜在可見光范圍內(nèi)具有較高的透光率，同時保持了良好的導電性，有望應用于透明顯示器件和太陽能電池的透明導電電極。MXene的機械性能也十分出色，盡管其為二維材料，但在層間相互作用和化學鍵的共同作用下，MXene具有較高的拉伸強度和柔韌性。這使得MXene可以在柔性電子器件中作為柔性基底或活性材料使用，能夠承受一定程度的彎曲和拉伸而不發(fā)生破裂或性能退化。通過實驗測試，MXene薄膜在多次彎曲和拉伸循環(huán)后，其電學和化學性能仍然保持穩(wěn)定，這為其在可穿戴設備、柔性傳感器等領域的應用提供了保障。例如，在可穿戴的柔性電池中，MXene可以作為電極材料，在人體運動過程中，能夠適應身體的彎曲和伸展，保持電池的穩(wěn)定性能。2.3.2在能源領域的應用MXene由于其獨特的結構和優(yōu)異的性能，在能源領域展現(xiàn)出了廣泛的應用潛力，尤其是在電池、超級電容器等能源存儲與轉換器件中，取得了一系列令人矚目的成果。在電池領域，MXene在鋰離子電池、鈉離子電池和鋰-硫電池等方面都有深入的研究和應用。在鋰離子電池中，MXene作為電極材料具有諸多優(yōu)勢。其高導電性可以有效提高電極的電子傳輸速率，縮短鋰離子的擴散路徑，從而改善電池的倍率性能。MXene的二維層狀結構能夠提供豐富的活性位點，有利于鋰離子的嵌入和脫出，提高電池的比容量。研究表明，將MXene與其他材料復合，如與過渡金屬氧化物復合形成復合材料，能夠進一步提升鋰離子電池的性能。這種復合材料可以綜合MXene的高導電性和過渡金屬氧化物的高理論比容量，通過協(xié)同作用，有效提高電池的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。在一些實驗中，制備的MXene-過渡金屬氧化物復合電極材料，在經(jīng)過多次充放電循環(huán)后，仍然能夠保持較高的比容量和良好的循環(huán)性能，展現(xiàn)出了在鋰離子電池領域的應用潛力。在鈉離子電池中，由于鈉資源豐富、成本低廉，近年來受到了廣泛關注。MXene同樣在鈉離子電池中表現(xiàn)出良好的應用前景。其層狀結構和表面官能團可以有效調節(jié)鈉離子的嵌入和脫出過程，緩解體積變化，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。MXene的高導電性也有助于提高鈉離子電池的倍率性能。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，以MXene為電極材料的鈉離子電池在不同電流密度下都能表現(xiàn)出較好的充放電性能，在高電流密度下也能保持較高的容量保持率，為鈉離子電池的發(fā)展提供了新的材料選擇。鋰-硫電池具有高理論比容量（1675mAh/g）和高能量密度（2600Wh/kg），被認為是下一代高能量密度電池的有力競爭者。然而，鋰-硫電池存在一些關鍵問題，如硫的導電性差、多硫化物的穿梭效應等，限制了其實際應用。MXene的引入為解決這些問題提供了新的思路。MXene的高導電性可以改善硫電極的電子傳輸，提高電池的充放電效率。其豐富的表面官能團和層狀結構能夠有效吸附多硫化物，抑制多硫化物的穿梭效應，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性和庫侖效率。通過制備MXene-硫復合材料作為鋰-硫電池的正極材料，實驗結果表明，該電池在循環(huán)過程中容量衰減明顯減緩，庫侖效率得到提高，展現(xiàn)出了良好的循環(huán)性能和倍率性能，為鋰-硫電池的性能提升提供了有效的解決方案。在超級電容器領域，MXene同樣展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。超級電容器作為一種高效的能量存儲設備，具有功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長等優(yōu)點。MXene的高導電性和大比表面積使其成為超級電容器電極材料的理想選擇。高導電性可以降低電極的內(nèi)阻，提高電荷傳輸速度，從而實現(xiàn)快速的充放電過程。大比表面積則能夠提供更多的電荷存儲位點，增加超級電容器的比電容。研究人員通過不同的制備方法，如真空抽濾、旋涂等，制備了MXene基超級電容器電極，實驗結果表明，這些電極在水系和有機電解液中都表現(xiàn)出了較高的比電容和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。在一些研究中，制備的MXene基超級電容器在高電流密度下仍能保持較高的比電容，經(jīng)過數(shù)千次循環(huán)后，電容保持率仍然較高，展現(xiàn)出了在超級電容器領域的巨大應用潛力。除了在電池和超級電容器中的應用，MXene在其他能源領域也有潛在的應用。在電催化領域，MXene可以作為催化劑或催化劑載體，用于促進各種電化學反應，如析氫反應（HER）、析氧反應（OER）和二氧化碳還原反應（CO?RR）等。其獨特的結構和表面性質可以提供豐富的活性位點，調節(jié)反應物的吸附和反應中間體的形成，從而提高電催化反應的活性和選擇性。在太陽能電池領域，如前文所述，MXene在鈣鈦礦太陽能電池中作為電子傳輸層或界面修飾材料，能夠有效改善電池的性能，提高光電轉換效率和穩(wěn)定性，為太陽能電池的發(fā)展提供了新的材料和技術途徑。三、MXene摻雜電子傳輸層的作用機制3.1MXene與電子傳輸層的相互作用3.1.1能級匹配能級匹配在鈣鈦礦太陽能電池的電荷傳輸過程中起著至關重要的作用，直接影響著電池的性能。在鈣鈦礦太陽能電池中，電子傳輸層需要與鈣鈦礦層實現(xiàn)良好的能級匹配，以確保光生電子能夠順利地從鈣鈦礦層注入到電子傳輸層，并高效地傳輸至電極，同時阻止空穴的反向傳輸，減少電荷復合。MXene作為一種具有獨特電學性質的二維材料，其能級結構可以通過多種方式進行調控，從而實現(xiàn)與鈣鈦礦層和電子傳輸層的良好能級匹配。表面官能團是影響MXene能級的重要因素之一。MXene表面通常帶有-OH、-F、-O等官能團，這些官能團的存在會改變MXene的電子云分布，進而影響其能級結構。通過化學處理等方法改變表面官能團的種類和數(shù)量，可以有效地調節(jié)MXene的功函數(shù)，使其與鈣鈦礦層和電子傳輸層的能級更好地匹配。研究表明，當MXene表面的-F官能團被-OH官能團取代時，MXene的功函數(shù)會發(fā)生變化，從而改變其與周圍材料的能級相對位置，優(yōu)化電荷傳輸過程。MXene的元素組成對其能級也有著顯著的影響。不同的過渡金屬元素（如Ti、V、Mo等）以及碳或氮元素的組合，會導致MXene具有不同的電子結構和能級分布。通過選擇合適的元素組成，可以制備出具有特定能級的MXene材料，以滿足與鈣鈦礦太陽能電池中其他層材料能級匹配的需求。例如，在一些研究中，通過調整MXene中過渡金屬元素的種類和比例，成功地優(yōu)化了其與鈣鈦礦層和電子傳輸層的能級匹配，提高了電池的電荷傳輸效率和光電轉換效率。當MXene與電子傳輸層材料復合時，兩者之間會發(fā)生電荷轉移和相互作用，這也會導致能級的調整。這種電荷轉移和相互作用可以改變MXene和電子傳輸層的電子云分布，進而影響它們的能級結構。通過量子化學計算和實驗表征發(fā)現(xiàn)，在SnO?電子傳輸層中摻雜MXene后，MXene與SnO?之間發(fā)生了電荷轉移，使得SnO?的導帶能級發(fā)生了變化，與鈣鈦礦層的能級匹配得到了改善，從而促進了電子從鈣鈦礦層到電子傳輸層的注入和傳輸。良好的能級匹配使得光生電子能夠順利地從鈣鈦礦層注入到電子傳輸層，減少了電荷注入的阻礙和能量損失。這是因為當能級匹配良好時，電子在界面處的勢壘較低，能夠更容易地跨越界面，實現(xiàn)高效的電荷傳輸。能級匹配還能夠有效地阻止空穴向電子傳輸層的反向傳輸，減少了電荷復合的概率。因為合適的能級差可以形成有效的阻擋層，防止空穴的泄漏，從而提高了電荷分離的效率，為電池的高效運行提供了保障。3.1.2界面修飾在鈣鈦礦太陽能電池中，電子傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面質量對電池性能有著至關重要的影響。界面處存在的缺陷，如空位、雜質等，會成為電荷復合的中心，導致光生載流子的損失，降低電池的光電轉換效率。界面粘附性不足會影響兩層之間的緊密接觸，阻礙電荷的傳輸，同樣會對電池性能產(chǎn)生不利影響。MXene對電子傳輸層與鈣鈦礦層界面具有顯著的修飾作用。由于MXene具有高比表面積和豐富的表面官能團，這些官能團可以與電子傳輸層和鈣鈦礦層表面的原子或基團發(fā)生化學反應，形成化學鍵或強相互作用，從而有效地降低界面缺陷密度。-OH、-O等官能團可以與鈣鈦礦層中的金屬離子（如Pb2?）發(fā)生配位作用，填補鈣鈦礦表面的空位缺陷，減少缺陷態(tài)密度。研究表明，通過在電子傳輸層表面引入MXene，界面處的缺陷密度可降低數(shù)倍，從而有效地抑制了電荷復合，提高了電荷傳輸效率。MXene的引入能夠增強電子傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面粘附性。MXene的二維層狀結構使其能夠在界面處形成一層均勻的過渡層，增加了兩層之間的接觸面積和相互作用力。MXene表面的官能團可以與電子傳輸層和鈣鈦礦層表面形成氫鍵、范德華力等相互作用，進一步增強了界面的粘附性。這種增強的界面粘附性有助于提高界面的穩(wěn)定性，減少界面處的應力集中，促進電荷的順利傳輸。通過原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡（SEM）等表征手段可以觀察到，引入MXene后，電子傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面更加平整、緊密，界面結合力明顯增強。MXene還可以改善界面的電荷傳輸特性。其優(yōu)異的導電性和高載流子遷移率，為電荷在界面處的傳輸提供了快速通道。在界面處，MXene能夠有效地收集和傳輸光生電子，減少電子在界面處的積累和復合。MXene與電子傳輸層和鈣鈦礦層之間的良好能級匹配，也有助于促進電荷的傳輸，提高電池的性能。通過瞬態(tài)光電流譜（TPC）和瞬態(tài)光電壓譜（TPV）等技術可以研究發(fā)現(xiàn)，引入MXene后，電池內(nèi)部的電荷傳輸速度明顯加快，電荷復合時間延長，從而提高了電池的光電轉換效率和穩(wěn)定性。3.2對電荷傳輸與復合的影響3.2.1電荷傳輸加速電荷傳輸是鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)高效光電轉換的關鍵步驟之一，其傳輸效率直接影響著電池的性能。在鈣鈦礦太陽能電池中，電子傳輸層的主要作用是將光生電子從鈣鈦礦光吸收層快速傳輸至電極，同時阻擋空穴的傳輸，以減少電荷復合。MXene憑借其獨特的結構和優(yōu)異的電學性能，能夠顯著加快電子在傳輸層中的傳輸速度。從結構上看，MXene具有二維層狀結構，這種結構為電子提供了快速傳輸?shù)耐ǖ馈ｋ娮釉贛Xene的二維平面內(nèi)可以自由移動，其遷移率較高，能夠迅速地在材料內(nèi)部傳輸。由于MXene的層間距離適中，且層間存在一定的相互作用，使得電子在層間的跳躍傳輸也較為容易，進一步提高了電子的傳輸效率。MXene具有高導電性，這是其能夠加速電荷傳輸?shù)闹匾蛑?。其?nèi)部的電子結構特點決定了它具有良好的導電性能，過渡金屬原子與碳或氮原子之間的化學鍵形成了獨特的電子傳導路徑，使得電子在MXene中能夠快速移動。與傳統(tǒng)的電子傳輸層材料相比，MXene的電導率可與金屬相媲美，甚至在某些情況下超過傳統(tǒng)金屬，這使得它在作為電子傳輸層材料或摻雜到電子傳輸層中時，能夠有效地降低電子傳輸?shù)碾娮?，提高電子的傳輸速度。當MXene摻雜到電子傳輸層中時，它可以與電子傳輸層材料形成良好的界面接觸，促進電子在界面處的傳輸。MXene表面豐富的官能團能夠與電子傳輸層材料表面的原子或基團發(fā)生相互作用，形成化學鍵或強相互作用，從而增強了界面的穩(wěn)定性和電子傳輸能力。這種良好的界面接觸可以減少電子在界面處的散射和復合，使電子能夠順利地從鈣鈦礦光吸收層傳輸?shù)诫娮觽鬏攲?，并進一步傳輸至電極。通過瞬態(tài)光電流譜（TPC）和瞬態(tài)光電壓譜（TPV）等技術可以對電荷傳輸過程進行研究。研究結果表明，在引入MXene的電子傳輸層中，光生電子的傳輸速度明顯加快，電荷傳輸時間顯著縮短。這意味著更多的光生電子能夠在短時間內(nèi)到達電極，減少了電子在傳輸過程中的損失，從而提高了電池的短路電流密度和光電轉換效率。在一些實驗中，使用MXene摻雜的SnO?電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池，其短路電流密度相比未摻雜的電池提高了10%-20%，這充分證明了MXene對電荷傳輸?shù)募铀僮饔谩?.2.2抑制電荷復合電荷復合是降低鈣鈦礦太陽能電池性能的主要因素之一，它會導致光生載流子的損失，減少電池的輸出電流和電壓，從而降低光電轉換效率。在鈣鈦礦太陽能電池中，電荷復合主要包括體相復合、界面復合和表面復合。體相復合是指光生載流子在鈣鈦礦材料內(nèi)部發(fā)生的復合，這通常與材料的缺陷、雜質以及晶體結構的完整性有關；界面復合發(fā)生在鈣鈦礦層與電荷傳輸層的界面處，界面處的能級不匹配、缺陷態(tài)以及界面粗糙度等因素都會促進界面復合的發(fā)生；表面復合則是指光生載流子在電池表面與環(huán)境中的物質發(fā)生的復合，例如與氧氣、水分等發(fā)生反應。MXene能夠有效地抑制電荷復合，其原理主要包括減少缺陷態(tài)和調節(jié)電場分布等方面。在減少缺陷態(tài)方面，MXene具有豐富的表面官能團，這些官能團可以與鈣鈦礦材料中的缺陷發(fā)生相互作用，從而有效地鈍化缺陷。-OH、-O等官能團可以與鈣鈦礦中的金屬離子（如Pb2?）發(fā)生配位作用，填補鈣鈦礦表面的空位缺陷，減少缺陷態(tài)密度。研究表明，通過在電子傳輸層表面引入MXene，界面處的缺陷密度可降低數(shù)倍，從而有效地抑制了電荷復合，提高了電荷傳輸效率。MXene的高比表面積使其能夠充分接觸鈣鈦礦材料，對材料內(nèi)部的缺陷也能起到一定的鈍化作用，進一步減少了體相復合的發(fā)生。MXene還可以通過調節(jié)電場分布來抑制電荷復合。在鈣鈦礦太陽能電池中，電場分布對電荷的傳輸和復合有著重要的影響。合適的電場分布可以促進電荷的分離和傳輸，減少電荷復合。MXene的引入可以改變電子傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面電場分布，使其更加有利于電荷的傳輸。由于MXene與電子傳輸層和鈣鈦礦層之間的相互作用，會導致界面處的電荷分布發(fā)生變化，從而形成一個有利于電子傳輸?shù)碾妶?。這種電場可以有效地推動光生電子從鈣鈦礦層向電子傳輸層移動，同時阻止空穴的反向傳輸，減少了電荷復合的概率。通過數(shù)值模擬和實驗測量發(fā)現(xiàn)，引入MXene后，界面處的電場強度和分布更加均勻，電荷復合明顯減少，電池的開路電壓和填充因子得到提高。MXene的能級結構與鈣鈦礦和電子傳輸層的良好匹配，也有助于抑制電荷復合。當能級匹配良好時，光生電子能夠順利地從鈣鈦礦層注入到電子傳輸層，減少了電子在界面處的積累和復合。合適的能級差可以形成有效的阻擋層，防止空穴向電子傳輸層的反向傳輸，進一步降低了電荷復合的可能性。3.3改善鈣鈦礦薄膜質量3.3.1促進結晶生長在鈣鈦礦太陽能電池的制備過程中，鈣鈦礦薄膜的結晶質量對電池性能起著至關重要的作用。高質量、大晶粒的鈣鈦礦薄膜能夠減少晶界數(shù)量，降低電荷在晶界處的復合概率，從而提高電池的光電轉換效率。MXene在改善鈣鈦礦薄膜結晶生長方面具有獨特的作用機制。當MXene與鈣鈦礦前驅體溶液混合時，MXene的二維層狀結構和豐富的表面官能團為鈣鈦礦晶體的成核提供了大量的活性位點。MXene表面的官能團，如-OH、-O、-F等，能夠與鈣鈦礦前驅體中的離子發(fā)生相互作用，形成化學鍵或強相互作用，從而促進鈣鈦礦晶體的異質成核。這種異質成核方式能夠降低成核的能量壁壘，使得鈣鈦礦晶體在較低的過飽和度下即可開始成核，從而增加了成核的數(shù)量和均勻性。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，在含有MXene的鈣鈦礦前驅體溶液中制備的鈣鈦礦薄膜，其成核點分布更加均勻，數(shù)量明顯增加。MXene還能夠調節(jié)鈣鈦礦晶體的生長速率和方向。在鈣鈦礦晶體生長過程中，MXene與鈣鈦礦前驅體之間的相互作用會影響離子的擴散和遷移速率，進而調控晶體的生長速率。MXene的二維層狀結構可以作為模板，引導鈣鈦礦晶體沿著特定的方向生長，促進形成定向排列的大晶粒鈣鈦礦薄膜。這種定向生長的大晶粒結構能夠減少晶界的數(shù)量和缺陷密度，提高電荷在鈣鈦礦薄膜中的傳輸效率。通過高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）和X射線衍射（XRD）分析可以發(fā)現(xiàn)，引入MXene后，鈣鈦礦薄膜中的晶粒尺寸明顯增大，晶體的取向性更加明顯，晶界數(shù)量顯著減少。在一些研究中，將MXene摻雜到鈣鈦礦前驅體溶液中，通過一步旋涂法制備鈣鈦礦薄膜。結果表明，與未摻雜MXene的鈣鈦礦薄膜相比，摻雜MXene的薄膜晶粒尺寸增大了數(shù)倍，平均晶粒尺寸從幾十納米增加到了幾百納米。同時，XRD圖譜顯示，摻雜MXene后，鈣鈦礦薄膜的特征峰強度增強，半高寬減小，表明晶體的結晶度提高，晶格更加完整。這種高質量的鈣鈦礦薄膜為提高鈣鈦礦太陽能電池的性能奠定了堅實的基礎。3.3.2降低缺陷密度鈣鈦礦薄膜中的缺陷，如空位、雜質、晶界等，會成為電荷復合的中心，嚴重影響鈣鈦礦太陽能電池的性能。降低鈣鈦礦薄膜的缺陷密度是提高電池性能的關鍵之一，MXene在這方面展現(xiàn)出了顯著的效果。MXene與鈣鈦礦晶體之間存在著強相互作用，這種相互作用能夠有效地鈍化鈣鈦礦薄膜中的缺陷。MXene表面豐富的官能團，如-OH、-O等，能夠與鈣鈦礦中的金屬離子（如Pb2?）發(fā)生配位作用，填補鈣鈦礦表面的空位缺陷，減少缺陷態(tài)密度。研究表明，通過在電子傳輸層表面引入MXene，界面處的缺陷密度可降低數(shù)倍，從而有效地抑制了電荷復合，提高了電荷傳輸效率。MXene的高比表面積使其能夠充分接觸鈣鈦礦材料，對材料內(nèi)部的缺陷也能起到一定的鈍化作用，進一步減少了體相復合的發(fā)生。MXene的引入還能夠改善鈣鈦礦薄膜的晶體結構，減少晶界缺陷。在鈣鈦礦薄膜的生長過程中，MXene能夠調節(jié)晶體的生長速率和方向，促進形成大晶粒、低缺陷的鈣鈦礦薄膜。大晶粒的鈣鈦礦薄膜具有較少的晶界，從而減少了晶界處的缺陷數(shù)量。晶界處的原子排列不規(guī)則，容易形成缺陷態(tài)，而MXene的作用使得晶界更加規(guī)整，降低了晶界處的缺陷密度。通過原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察可以發(fā)現(xiàn)，引入MXene后，鈣鈦礦薄膜的表面更加平整，晶界更加清晰、規(guī)整，缺陷明顯減少。通過光致發(fā)光光譜（PL）和時間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）等技術可以對鈣鈦礦薄膜的缺陷密度進行表征。研究結果表明，在引入MXene后，鈣鈦礦薄膜的PL強度明顯增強，且熒光壽命延長。PL強度的增強表明鈣鈦礦薄膜中的非輻射復合中心減少，即缺陷密度降低；熒光壽命的延長則進一步證明了電荷在鈣鈦礦薄膜中的復合概率降低，電荷傳輸效率提高。在一些實驗中，未摻雜MXene的鈣鈦礦薄膜的PL強度較低，熒光壽命較短，而摻雜MXene后，PL強度提高了數(shù)倍，熒光壽命延長了數(shù)十納秒，這充分證明了MXene對降低鈣鈦礦薄膜缺陷密度的有效性。四、MXene摻雜電子傳輸層的制備方法與工藝優(yōu)化4.1常見制備方法4.1.1溶液旋涂法溶液旋涂法是制備MXene摻雜電子傳輸層常用的方法之一，具有操作簡便、設備成本低、易于控制薄膜厚度等優(yōu)點，在實驗室研究和小規(guī)模制備中廣泛應用。具體步驟如下：首先，制備MXene摻雜的電子傳輸層前驅體溶液。將MXene材料分散在適當?shù)娜軇┲校缛ルx子水、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）等，通過超聲處理、攪拌等方式使其均勻分散。根據(jù)實驗需求，精確控制MXene的摻雜比例，將MXene分散液與電子傳輸層材料的前驅體溶液按照一定比例混合，繼續(xù)攪拌或超聲，確保MXene均勻地分散在電子傳輸層前驅體溶液中，形成均勻穩(wěn)定的混合溶液。接著，進行旋涂操作。將清洗干凈并經(jīng)過預處理的基底（如FTO玻璃、ITO玻璃等）固定在旋涂機的樣品臺上。使用移液槍吸取適量的前驅體溶液，滴在基底中心位置。啟動旋涂機，設置合適的旋涂參數(shù)，包括轉速和時間。通常，旋涂過程分為低速和高速兩個階段。低速階段（如500-1000rpm）主要是使溶液均勻鋪展在基底表面，時間一般為5-10s；高速階段（如2000-5000rpm）則用于控制薄膜的厚度，時間為20-60s。通過調整轉速和時間，可以精確控制薄膜的厚度，以滿足不同的實驗需求。旋涂完成后，對薄膜進行退火處理。將旋涂有薄膜的基底放入加熱設備（如熱板、烘箱、管式爐等）中，在一定溫度下進行退火。退火溫度和時間根據(jù)電子傳輸層材料的性質而定，一般在100-500℃之間，時間為10-60min。退火的目的是去除薄膜中的溶劑和雜質，促進MXene與電子傳輸層材料之間的相互作用，提高薄膜的結晶質量和電學性能。溶液旋涂法的優(yōu)點顯著。其設備簡單，操作方便，不需要復雜的真空設備和高溫高壓條件，降低了制備成本和技術門檻，使得該方法易于在實驗室中實施。通過調整旋涂參數(shù)和前驅體溶液的濃度，可以精確控制薄膜的厚度和均勻性，從而實現(xiàn)對電子傳輸層性能的精確調控。在制備SnO?-MXene復合電子傳輸層時，通過控制旋涂轉速和MXene的摻雜比例，可以制備出厚度均勻、性能優(yōu)異的薄膜，有效提高了鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率。該方法也存在一些局限性。溶液旋涂法難以實現(xiàn)大面積的均勻制備，隨著基底面積的增大，薄膜的均勻性會受到影響，導致薄膜性能的一致性變差。該方法的制備效率較低，每次只能制備一片薄膜，不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。在制備過程中，溶液的浪費較為嚴重，增加了制備成本。4.1.2化學氣相沉積法化學氣相沉積法（CVD）是一種在高溫和氣體氛圍下，通過氣態(tài)的化學物質在基底表面發(fā)生化學反應，從而在基底上沉積固態(tài)薄膜的技術。在制備MXene摻雜電子傳輸層時，該方法具有獨特的優(yōu)勢，能夠制備出高質量、大面積且與基底結合緊密的薄膜?；瘜W氣相沉積法的原理基于氣態(tài)反應物在高溫和催化劑的作用下發(fā)生分解、化合等化學反應，生成的固態(tài)產(chǎn)物在基底表面沉積并逐漸生長成薄膜。在制備MXene摻雜電子傳輸層的過程中，通常使用過渡金屬鹵化物、碳源（如甲烷、乙烯等）以及含氟氣體（如氟化氫等）作為氣態(tài)反應物。在高溫條件下，過渡金屬鹵化物分解產(chǎn)生金屬原子，碳源分解產(chǎn)生碳原子，這些原子在基底表面結合形成MXene的前驅體結構。含氟氣體參與反應，對MXene的表面進行氟化處理，形成具有特定表面官能團的MXene。在反應過程中，通過精確控制反應氣體的流量、溫度、壓力等參數(shù)，可以實現(xiàn)對MXene摻雜電子傳輸層的結構和性能的精確調控?；瘜W氣相沉積法對設備要求較高，通常需要配備高溫爐、氣體供應系統(tǒng)、真空系統(tǒng)以及反應腔室等設備。高溫爐用于提供反應所需的高溫環(huán)境，溫度一般可達到幾百攝氏度甚至更高；氣體供應系統(tǒng)用于精確控制各種反應氣體的流量和比例，確保反應的準確性和一致性；真空系統(tǒng)用于在反應前將反應腔室抽至真空狀態(tài)，減少雜質氣體的干擾，提高薄膜的質量；反應腔室則是化學反應發(fā)生的場所，需要具備良好的密封性和耐高溫性能。該方法在制備高質量摻雜層方面具有顯著優(yōu)勢。通過化學氣相沉積法制備的MXene摻雜電子傳輸層具有較高的結晶質量，薄膜中的原子排列更加有序，缺陷密度較低，這有助于提高電子傳輸層的電學性能和穩(wěn)定性。該方法能夠實現(xiàn)大面積的均勻制備，適用于工業(yè)化生產(chǎn)的需求。由于反應是在氣態(tài)環(huán)境中進行，氣體分子能夠均勻地分布在反應腔室內(nèi)，使得在大面積基底上沉積的薄膜具有良好的均勻性和一致性?；瘜W氣相沉積法制備的薄膜與基底之間的結合力較強，能夠有效避免薄膜在后續(xù)使用過程中出現(xiàn)脫落等問題，提高了器件的可靠性?；瘜W氣相沉積法也存在一些缺點。設備成本高，需要投入大量資金購買和維護專業(yè)設備，這限制了其在一些資金有限的研究機構和企業(yè)中的應用。制備過程復雜，需要精確控制多個參數(shù)，對操作人員的技術要求較高，增加了制備的難度和不確定性。反應過程中使用的一些氣體（如氟化氫等）具有腐蝕性和毒性，需要嚴格的安全防護措施，增加了操作的風險和成本。4.1.3其他方法除了溶液旋涂法和化學氣相沉積法外，還有噴涂法、絲網(wǎng)印刷法等其他制備MXene摻雜電子傳輸層的方法，這些方法在不同的應用場景中具有各自的優(yōu)勢。噴涂法是將MXene摻雜的電子傳輸層前驅體溶液通過噴槍噴涂在基底表面，形成均勻的薄膜。具體操作時，將前驅體溶液裝入噴槍的儲液罐中，調節(jié)噴槍的氣壓和噴液量，使溶液以細小的霧滴形式均勻地噴灑在旋轉或靜止的基底上。噴涂過程中，通過控制噴槍與基底的距離、噴涂時間和速度等參數(shù)，可以調節(jié)薄膜的厚度和均勻性。噴涂完成后，對薄膜進行退火處理，以提高薄膜的性能。噴涂法的優(yōu)點是可以實現(xiàn)大面積的快速制備，適用于大規(guī)模生產(chǎn)的需求。它能夠在復雜形狀的基底上進行薄膜沉積，具有較好的靈活性。由于噴涂過程中溶液的利用率較低，會造成一定的浪費，且薄膜的均勻性相對較差，需要通過優(yōu)化工藝參數(shù)來提高薄膜質量。絲網(wǎng)印刷法是利用絲網(wǎng)版作為模板，將MXene摻雜的電子傳輸層漿料通過刮板的擠壓作用，透過絲網(wǎng)版上的網(wǎng)孔印刷到基底上，形成所需的圖案和薄膜。在制備過程中，首先需要根據(jù)基底的尺寸和形狀制作相應的絲網(wǎng)版，并將MXene摻雜的電子傳輸層漿料調配成合適的粘度。將絲網(wǎng)版覆蓋在基底上，用刮板將漿料均勻地刮過絲網(wǎng)版，使?jié){料透過網(wǎng)孔沉積在基底上。通過控制漿料的用量、刮板的壓力和速度等參數(shù)，可以控制薄膜的厚度和質量。印刷完成后，對薄膜進行干燥和退火處理，以獲得性能良好的電子傳輸層。絲網(wǎng)印刷法的優(yōu)點是可以精確控制薄膜的圖案和厚度，適用于制備具有特定圖案和結構的電子傳輸層。該方法設備簡單，成本較低，適合中小規(guī)模的生產(chǎn)。但絲網(wǎng)印刷法制備的薄膜厚度相對較大，且均勻性有限，在一些對薄膜厚度和均勻性要求較高的應用場景中受到限制。4.2工藝參數(shù)對性能的影響4.2.1MXene濃度MXene濃度對電子傳輸層及鈣鈦礦太陽能電池性能有著顯著的影響，深入研究其影響規(guī)律對于優(yōu)化電池性能至關重要。在制備MXene摻雜的電子傳輸層時，MXene的濃度是一個關鍵參數(shù)，它直接關系到電子傳輸層的電學性能、光學性能以及電池的整體性能。當MXene濃度較低時，其在電子傳輸層中的分散相對均勻，能夠與電子傳輸層材料充分接觸，發(fā)揮其獨特的性能優(yōu)勢。在電學性能方面，適量的MXene可以為電子傳輸提供額外的通道，增加電子的遷移率，從而提高電子傳輸層的電導率。由于MXene的高導電性，它能夠有效地降低電子傳輸過程中的電阻，使光生電子能夠更快速地傳輸至電極，減少電荷復合的概率，進而提高電池的短路電流密度。研究表明，在SnO?電子傳輸層中摻雜適量低濃度的MXene，電池的短路電流密度可提高10%-15%，這主要是因為MXene與SnO?之間形成了良好的界面接觸，促進了電子在界面處的傳輸，增強了電荷收集效率。在光學性能方面，低濃度的MXene對電子傳輸層的光吸收和透過率影響較小，能夠保證電子傳輸層具有較高的光透過率，使更多的太陽光能夠到達鈣鈦礦光吸收層，為光生載流子的產(chǎn)生提供充足的能量。這有助于提高電池的光電轉換效率，因為更多的光被吸收意味著更多的光生載流子能夠產(chǎn)生，從而為后續(xù)的電荷傳輸和收集提供更多的基礎。在一些實驗中，通過紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）測試發(fā)現(xiàn)，摻雜低濃度MXene的電子傳輸層在可見光范圍內(nèi)的光透過率與未摻雜時相當，且對光的吸收特性沒有明顯改變，這表明低濃度的MXene能夠在不影響光吸收的前提下，改善電子傳輸性能。隨著MXene濃度的增加，其在電子傳輸層中的團聚現(xiàn)象逐漸加劇。團聚的MXene會導致電子傳輸層的微觀結構變得不均勻，形成局部的高濃度區(qū)域和低濃度區(qū)域。這種不均勻的結構會對電子傳輸產(chǎn)生負面影響，使得電子在傳輸過程中遇到更多的阻礙，降低電子的遷移率，從而導致電子傳輸層的電導率下降。團聚的MXene還可能在電子傳輸層中形成缺陷和雜質，這些缺陷和雜質會成為電荷復合的中心，增加電荷復合的概率，導致電池的開路電壓和填充因子下降，最終降低電池的光電轉換效率。研究發(fā)現(xiàn)，當MXene濃度超過一定閾值時，電池的開路電壓和填充因子會顯著降低，這是由于團聚的MXene引起的電荷復合增加以及電子傳輸受阻所致。過高濃度的MXene還可能對電子傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面產(chǎn)生不利影響。團聚的MXene可能會破壞界面的平整度和緊密性，導致界面缺陷增加，界面粘附性下降。這不僅會阻礙電荷在界面處的傳輸，還會增加界面處的電荷復合，進一步降低電池的性能。通過原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，高濃度MXene摻雜的電子傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面粗糙度明顯增加，界面處存在明顯的間隙和缺陷，這表明過高濃度的MXene會破壞界面的良好結構，影響電池的性能。4.2.2退火溫度與時間退火工藝在制備MXene摻雜電子傳輸層中起著至關重要的作用，退火溫度和時間作為退火工藝的關鍵參數(shù)，對摻雜層的結晶質量、界面結合以及電池性能有著顯著的影響。退火溫度對MXene摻雜電子傳輸層的結晶質量有著決定性的作用。在較低的退火溫度下，電子傳輸層中的原子和分子活性較低，擴散速度較慢，結晶過程難以充分進行。這會導致電子傳輸層的結晶質量較差，晶體結構不完善，存在較多的缺陷和晶格畸變。這些缺陷和晶格畸變會影響電子的傳輸路徑，增加電子散射的概率，從而降低電子傳輸層的電導率和載流子遷移率。研究表明，當退火溫度為100℃時，摻雜MXene的SnO?電子傳輸層的結晶度較低，晶體顆粒較小且分布不均勻，電池的短路電流密度和填充因子相對較低。隨著退火溫度的升高，原子和分子的活性增強，擴散速度加快，結晶過程得以充分進行。這有助于形成更加完善的晶體結構，減少缺陷和晶格畸變，提高電子傳輸層的結晶質量。較高的結晶質量能夠為電子提供更順暢的傳輸路徑，降低電子散射，從而提高電子傳輸層的電導率和載流子遷移率。當退火溫度升高到300℃時，SnO?電子傳輸層的結晶度明顯提高，晶體顆粒增大且分布更加均勻，電池的短路電流密度和填充因子得到顯著提升。然而，過高的退火溫度也會帶來負面影響。過高的溫度可能會導致MXene與電子傳輸層材料之間發(fā)生過度反應，破壞原有的結構和性能。高溫還可能引起電子傳輸層的熱膨脹和收縮，導致薄膜內(nèi)部產(chǎn)生應力，甚至出現(xiàn)裂紋和脫落現(xiàn)象。這些問題會嚴重影響電子傳輸層的穩(wěn)定性和電池的性能。當退火溫度達到500℃時，SnO?電子傳輸層與MXene之間的反應加劇，導致界面結構發(fā)生變化，電荷傳輸受阻，電池的開路電壓和光電轉換效率下降。退火時間也是影響摻雜層性能的重要因素。在較短的退火時間內(nèi)，結晶過程可能不完全，電子傳輸層的性能無法得到充分優(yōu)化。隨著退火時間的延長，結晶過程逐漸完善，電子傳輸層的性能得到提升。但過長的退火時間會導致能源浪費，還可能引起其他不良現(xiàn)象，如薄膜的氧化、雜質的引入等，從而影響電池性能。在一些實驗中，當退火時間從10分鐘延長到30分鐘時，摻雜MXene的TiO?電子傳輸層的結晶質量逐漸提高，電池的性能得到改善；但當退火時間延長到60分鐘時，由于薄膜的氧化程度增加，電池的性能反而下降。退火溫度和時間還會影響電子傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面結合。合適的退火溫度和時間能夠促進兩者之間形成良好的化學鍵和界面相互作用，增強界面粘附性，有利于電荷的傳輸。過高或過低的退火溫度以及過長或過短的退火時間都會導致界面結合不良，增加界面電阻和電荷復合，降低電池性能。4.2.3摻雜方式與順序不同的MXene摻雜方式和順序對鈣鈦礦太陽能電池性能有著顯著的差異影響，深入研究這些影響對于優(yōu)化電池制備工藝和提高電池性能具有重要意義。在摻雜方式方面，常見的有共混和逐層沉積兩種方式。共混方式是將MXene與電子傳輸層材料的前驅體溶液直接混合，然后通過溶液旋涂等方法制備摻雜的電子傳輸層。這種方式的優(yōu)點是操作簡單，能夠使MXene均勻地分散在電子傳輸層中，充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。在制備SnO?-MXene復合電子傳輸層時，將MXene納米片與SnO?前驅體溶液共混，通過旋涂法制備薄膜。由于MXene與SnO?在溶液中充分混合，在成膜過程中，MXene能夠均勻地分布在SnO?基質中，為電子傳輸提供額外的通道，有效提高了電子傳輸層的電導率和載流子遷移率，從而提高了電池的短路電流密度和光電轉換效率。共混方式也存在一些缺點。由于MXene與電子傳輸層材料在溶液中直接混合，可能會導致兩者之間的相互作用不夠強，在后續(xù)的工藝過程中，MXene可能會發(fā)生團聚或遷移，影響電子傳輸層的穩(wěn)定性和性能。逐層沉積方式則是先制備電子傳輸層薄膜，然后在其表面通過旋涂、噴涂或化學氣相沉積等方法沉積MXene層。這種方式能夠精確控制MXene的沉積位置和厚度，使MXene主要分布在電子傳輸層與鈣鈦礦層的界面處，從而更好地發(fā)揮其界面修飾作用。通過逐層沉積的方式在TiO?電子傳輸層表面沉積MXene，能夠有效地改善TiO?與鈣鈦礦層之間的界面接觸，鈍化界面缺陷，減少電荷復合，提高電池的開路電壓和填充因子。逐層沉積方式的缺點是制備工藝相對復雜，需要進行多次操作，增加了制備成本和時間。由于MXene僅沉積在電子傳輸層表面，可能會導致其與電子傳輸層內(nèi)部的協(xié)同作用不夠充分，影響電子傳輸層整體性能的提升。摻雜順序對電池性能也有重要影響。先摻雜MXene再制備鈣鈦礦層，MXene能夠在電子傳輸層中形成穩(wěn)定的結構，為后續(xù)鈣鈦礦層的生長提供良好的模板和界面環(huán)境。在這種情況下，MXene可以調節(jié)鈣鈦礦的結晶生長，促進形成高質量、大晶粒的鈣鈦礦薄膜，減少晶界缺陷，提高電荷傳輸效率。先制備鈣鈦礦層再摻雜MXene，MXene主要作用于鈣鈦礦層的表面，對表面缺陷進行鈍化，改善表面電荷傳輸特性。但這種方式可能會對已形成的鈣鈦礦結構造成一定的擾動，影響電池的穩(wěn)定性。在一些研究中，通過對比不同摻雜順序的電池性能發(fā)現(xiàn)，先摻雜MXene再制備鈣鈦礦層的電池，其光電轉換效率和穩(wěn)定性均優(yōu)于先制備鈣鈦礦層再摻雜MXene的電池。4.3制備工藝的優(yōu)化策略4.3.1添加劑的使用在制備MXene摻雜電子傳輸層的過程中，合理使用添加劑能夠顯著改善摻雜層的性能，從而提升鈣鈦礦太陽能電池的整體性能。添加劑主要包括表面活性劑和穩(wěn)定劑等，它們通過不同的作用機制對摻雜層的性能產(chǎn)生積極影響。表面活性劑作為一種重要的添加劑，在制備過程中發(fā)揮著關鍵作用。其分子結構具有雙親性，一端為親水基團，另一端為疏水基團。這種獨特的結構使得表面活性劑能夠降低溶液的表面張力，提高MXene在電子傳輸層前驅體溶液中的分散性。在制備SnO?-MXene復合電子傳輸層時，加入適量的表面活性劑，如十二烷基硫酸鈉（SDS），SDS的親水基團與SnO?前驅體溶液相互作用，疏水基團與MXene表面相互作用，從而使MXene能夠均勻地分散在溶液中，避免了團聚現(xiàn)象的發(fā)生。均勻分散的MXene能夠更好地與電子傳輸層材料結合，形成更穩(wěn)定的結構，為電荷傳輸提供更多的通道，進而提高電子傳輸層的電導率和載流子遷移率，最終提升電池的短路電流密度和光電轉換效率。表面活性劑還可以改善薄膜的表面形貌。在旋涂過程中，表面活性劑能夠調節(jié)溶液在基底上的鋪展和干燥過程，使薄膜表面更加平整、光滑。平整的薄膜表面有利于鈣鈦礦層的均勻生長，減少界面缺陷，降低電荷復合的概率。通過原子力顯微鏡（AFM）觀察發(fā)現(xiàn)，添加表面活性劑制備的SnO?-MXene薄膜表面粗糙度明顯降低，鈣鈦礦層在其上生長更加均勻，電池的開路電壓和填充因子得到提高。穩(wěn)定劑也是一種常用的添加劑，它能夠提高MXene在電子傳輸層中的穩(wěn)定性，防止其在制備和使用過程中發(fā)生氧化、團聚等現(xiàn)象。一些有機穩(wěn)定劑，如聚乙烯吡咯烷酮（PVP），可以通過與MXene表面的官能團相互作用，形成一層保護膜，阻止氧氣、水分等對MXene的侵蝕，從而提高MXene的穩(wěn)定性。在制備TiO?-MXene復合電子傳輸層時，加入PVP作為穩(wěn)定劑，PVP分子與MXene表面的-OH、-O等官能團形成氫鍵，包裹在MXene表面，有效地抑制了MXene的氧化，延長了其在空氣中的穩(wěn)定時間。穩(wěn)定的MXene能夠持續(xù)發(fā)揮其優(yōu)異的性能，保證電子傳輸層的穩(wěn)定性和電池性能的長期穩(wěn)定性。某些穩(wěn)定劑還可以調節(jié)MXene與電子傳輸層材料之間的相互作用。一些含氮的穩(wěn)定劑，如三乙胺（TEA），可以與MXene和電子傳輸層材料表面的原子發(fā)生配位作用，增強它們之間的結合力，促進電荷在界面處的傳輸。在制備ZnO-MXene復合電子傳輸層時，加入TEA后，通過X射線光電子能譜（XPS）分析發(fā)現(xiàn)，TEA與ZnO和MXene表面的原子形成了配位鍵，改善了界面的電子結構，降低了界面電阻，提高了電荷傳輸效率，從而提升了電池的性能。4.3.2多步制備工藝的改進多步制備工藝在制備MXene摻雜電子傳輸層時具有重要作用，通過對各步驟進行優(yōu)化，可以顯著提高摻雜層的性能，進而提升鈣鈦礦太陽能電池的性能。多步制備工藝主要包括預沉積處理和后處理工藝等步驟，每個步驟都有其獨特的優(yōu)化方向。預沉積處理是多步制備工藝的關鍵步驟之一，其優(yōu)化方向主要集中在改善MXene在電子傳輸層材料表面的吸附和分散。在進行預沉積處理時，可以通過調整溶液的濃度、溫度和處理時間等參數(shù)，實現(xiàn)對MXene吸附和分散效果的精確控制。在將MXene預沉積在TiO?電子傳輸層表面時，適當降低MXene溶液的濃度，能夠減少MXene在表面的團聚現(xiàn)象，使其更加均勻地分布。提高預沉積溶液的溫度，可以增強MXene與TiO?表面的相互作用，促進MXene的吸附，形成更緊密的結合。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過優(yōu)化預沉積處理的TiO?-MXene薄膜，MXene在TiO?表面的分布更加均勻，薄膜的表面形貌得到明顯改善，這為后續(xù)鈣鈦礦層的生長提供了更好的基礎。對預沉積溶液進行超聲處理也是一種有效的優(yōu)化方法。超聲處理能夠產(chǎn)生高頻振動，打破MXene的團聚體，使其在溶液中更加均勻地分散。超聲還可以增強MXene與電子傳輸層材料表面的相互作用，促進MXene的吸附。在制備SnO?-MXene復合電子傳輸層時，對預沉積溶液進行超聲處理10-20分鐘，能夠使MXene在SnO?