MXene界面鈍化：開啟鈣鈦礦太陽能電池高效光電性能新時代一、引言1.1研究背景在全球經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展和人口穩(wěn)步增長的大背景下，能源需求呈現(xiàn)出迅猛增長的態(tài)勢。傳統(tǒng)化石能源，如煤炭、石油和天然氣，作為當(dāng)前能源供應(yīng)的主要支柱，在能源消費結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，這些傳統(tǒng)能源屬于不可再生資源，隨著長期的大規(guī)模開采與消耗，其儲量正逐漸減少，面臨著日益嚴(yán)峻的枯竭危機。與此同時，傳統(tǒng)能源在燃燒過程中會釋放出大量的污染物，包括二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，這些污染物不僅對空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重破壞，引發(fā)霧霾、酸雨等環(huán)境問題，還加劇了全球氣候變暖的趨勢，對生態(tài)系統(tǒng)和人類生存環(huán)境構(gòu)成了巨大威脅。據(jù)國際能源署（IEA）的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，過去幾十年間，全球能源消耗總量持續(xù)攀升，而傳統(tǒng)化石能源在能源消費結(jié)構(gòu)中的占比雖有波動，但仍長期維持在較高水平。與此同時，全球二氧化碳排放量也隨著傳統(tǒng)能源的消耗而不斷增加，給地球生態(tài)環(huán)境帶來了沉重負(fù)擔(dān)。因此，開發(fā)清潔、可再生的新型能源已成為全球能源領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急，對于緩解能源危機和環(huán)境保護具有至關(guān)重要的意義。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，具有分布廣泛、清潔無污染、可持續(xù)利用等諸多優(yōu)點，被視為解決能源問題的理想選擇之一。太陽能電池作為將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵器件，在可再生能源領(lǐng)域中占據(jù)著重要地位。近年來，太陽能電池技術(shù)得到了快速發(fā)展，各種新型太陽能電池不斷涌現(xiàn)，其中鈣鈦礦太陽能電池（PerovskiteSolarCells，PSCs）憑借其獨特的優(yōu)勢，成為了太陽能電池研究領(lǐng)域的熱點之一。鈣鈦礦太陽能電池是基于鈣鈦礦材料構(gòu)建的一種新型薄膜太陽能電池，其結(jié)構(gòu)通常包含光吸收層、電子傳輸層、空穴傳輸層和電極等部分。鈣鈦礦材料具有獨特的晶體結(jié)構(gòu)，其化學(xué)式一般為ABX?，其中A位通常為有機陽離子（如甲基銨離子CH?NH??、甲脒離子HC(NH?)??等）或堿金屬陽離子（如銫離子Cs?），B位為金屬陽離子（如鉛離子Pb2?、錫離子Sn2?等），X位為鹵族陰離子（如碘離子I?、溴離子Br?、氯離子Cl?等）。這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了鈣鈦礦材料優(yōu)異的光電性能，使其在太陽能電池領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。鈣鈦礦太陽能電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，其理論最高轉(zhuǎn)換效率可達31%，多結(jié)理論效率更是超過50%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)晶硅太陽能電池的29.4%。這意味著在相同的表面積下，鈣鈦礦太陽能電池能夠產(chǎn)生更多的電力，從而有效增加發(fā)電量并降低成本。其制備成本相對較低，鈣鈦礦電池的產(chǎn)業(yè)鏈相較于晶硅產(chǎn)業(yè)鏈大幅簡化，生產(chǎn)鈣鈦礦組件單瓦能耗僅為晶硅組件的1/10，單位產(chǎn)能投資額為晶硅電池的一半，鈣鈦礦組件單瓦總成本約為5到6毛錢，僅為晶硅極限成本的50%。且鈣鈦礦材料的核心原材料豐富易得，供應(yīng)不受限制，價格相對低廉。其制造工藝簡單，可采用溶液制備方法，工藝溫度低，約為100℃，而晶硅電池制備過程所需的最高工藝溫度超過600℃。鈣鈦礦材料還具有寬吸收光譜的特性，即使在弱光或室內(nèi)照明條件下，也能有效地將陽光轉(zhuǎn)化為電能，并且可以設(shè)計成柔性、輕質(zhì)和半透明的，從而實現(xiàn)廣泛的應(yīng)用，如集成到建筑材料、窗戶、車輛、可穿戴設(shè)備和便攜式電子產(chǎn)品等中。盡管鈣鈦礦太陽能電池具有諸多優(yōu)勢，但在實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的道路上仍面臨著一些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其中穩(wěn)定性和效率問題尤為突出。鈣鈦礦材料本身存在不穩(wěn)定性，容易受到濕氣、溫度、光照和氧氣等環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致材料發(fā)生分解、相變和離子遷移等現(xiàn)象，進而引起電池性能的快速衰減。鈣鈦礦太陽能電池的T80壽命約為4000小時，即其效率僅為初始值的80%，與目前主流光伏技術(shù)25年的壽命相比，差距甚遠(yuǎn)。大面積模塊效率問題也是制約其產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵難題之一，目前鈣鈦礦太陽能電池大面積模塊的效率仍遠(yuǎn)低于小面積電池。鈣鈦礦材料中的鉛元素具有毒性，存在環(huán)境污染風(fēng)險，這也是產(chǎn)業(yè)化過程中亟待解決的問題。此外，鈣鈦礦太陽能電池的性能還會受到溫度、濕度、光照、電路負(fù)載等多種因素的影響，導(dǎo)致鈣鈦礦的分解和電池效率的降低，且其降解機制非常復(fù)雜，目前領(lǐng)域內(nèi)對這個過程并沒有非常清晰的認(rèn)識，也缺乏統(tǒng)一的量化標(biāo)準(zhǔn)，這對電池穩(wěn)定性的研究極為不利。1.2MXene界面鈍化研究意義MXene界面鈍化對于提升鈣鈦礦太陽能電池光電性能具有至關(guān)重要的作用，其研究意義深遠(yuǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。從提升電池光電性能的角度來看，MXene具有獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，對鈣鈦礦太陽能電池性能的優(yōu)化有著關(guān)鍵作用。在降低界面電阻方面，鈣鈦礦太陽能電池內(nèi)部存在多個界面，如鈣鈦礦層與電子傳輸層、空穴傳輸層以及電極之間的界面。這些界面處的電阻會阻礙電荷的傳輸，導(dǎo)致能量損失。MXene具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，將其應(yīng)用于界面鈍化后，能夠在界面處形成良好的導(dǎo)電通路。例如，在一項研究中，通過在鈣鈦礦/電子傳輸層界面引入MXene，使界面電阻降低了30%，從而顯著提高了電子傳輸效率，進而提升了電池的短路電流密度。在減少載流子復(fù)合方面，鈣鈦礦材料中存在的缺陷和晶界容易成為載流子復(fù)合中心，降低電池的性能。MXene表面豐富的官能團能夠與鈣鈦礦表面的缺陷相互作用，鈍化這些缺陷，抑制載流子復(fù)合。研究表明，經(jīng)過MXene界面鈍化后，鈣鈦礦太陽能電池的載流子復(fù)合率降低了約40%，延長了載流子的壽命，提高了電池的開路電壓。在增強光吸收方面，MXene的引入還可以調(diào)節(jié)界面的光學(xué)特性，減少光反射，提高光的吸收效率。在特定的實驗條件下，采用MXene界面鈍化的鈣鈦礦太陽能電池在可見光范圍內(nèi)的光吸收效率提高了15%，有效增加了光生載流子的產(chǎn)生，為提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率奠定了基礎(chǔ)。在提高電池穩(wěn)定性方面，MXene界面鈍化同樣發(fā)揮著不可忽視的作用。鈣鈦礦材料容易受到濕氣、溫度、光照和氧氣等環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致電池性能衰減。MXene具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和阻隔性能，能夠在鈣鈦礦表面形成一層保護膜，阻擋外界環(huán)境因素對鈣鈦礦的侵蝕。相關(guān)實驗數(shù)據(jù)顯示，在相對濕度為70%的環(huán)境下，未經(jīng)過MXene界面鈍化的鈣鈦礦太陽能電池在100小時后效率下降了50%，而經(jīng)過MXene界面鈍化的電池在相同時間內(nèi)效率僅下降了15%，表明MXene界面鈍化能夠顯著提高電池在潮濕環(huán)境下的穩(wěn)定性。在熱穩(wěn)定性方面，MXene能夠增強鈣鈦礦與其他功能層之間的結(jié)合力，減少因溫度變化引起的界面脫粘和結(jié)構(gòu)破壞，從而提高電池在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性。在光照穩(wěn)定性方面，MXene可以抑制光照誘導(dǎo)的鈣鈦礦材料的降解和離子遷移，使電池在長時間光照下仍能保持較好的性能。MXene界面鈍化研究對于推動太陽能電池的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。鈣鈦礦太陽能電池作為新一代太陽能電池技術(shù)，其性能的提升對于提高太陽能在能源結(jié)構(gòu)中的占比、推動能源轉(zhuǎn)型具有重要作用。隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣黾?，高效、穩(wěn)定的太陽能電池技術(shù)成為研究的熱點。MXene界面鈍化技術(shù)為鈣鈦礦太陽能電池性能的提升提供了新的途徑，有望加速鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化進程，使其在大規(guī)模太陽能發(fā)電、分布式能源系統(tǒng)、建筑一體化光伏等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這不僅有助于緩解能源危機，減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，還有利于降低碳排放，改善環(huán)境質(zhì)量，促進可持續(xù)發(fā)展。此外，MXene界面鈍化研究還為其他新型太陽能電池以及光電器件的界面工程提供了借鑒和參考，推動整個光電器件領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展。1.3研究目的與創(chuàng)新點本研究旨在深入探究MXene界面鈍化對鈣鈦礦太陽能電池光電性能的影響，通過系統(tǒng)性的實驗與理論分析，揭示其內(nèi)在作用機制，為提升鈣鈦礦太陽能電池性能提供堅實的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。具體而言，研究目的主要體現(xiàn)在以下三個方面。一是明晰MXene界面鈍化提升鈣鈦礦太陽能電池光電性能的作用機制。深入研究MXene與鈣鈦礦材料在界面處的相互作用，包括電荷傳輸機制、缺陷鈍化機理以及界面能級匹配等方面，從微觀層面揭示MXene界面鈍化對電池性能提升的本質(zhì)原因。通過實驗與理論計算相結(jié)合的方法，詳細(xì)分析MXene的引入如何影響鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、晶體取向以及缺陷密度，進而明確其對電荷傳輸和載流子復(fù)合的影響規(guī)律。二是探索MXene在鈣鈦礦太陽能電池中的最佳應(yīng)用方式與條件。研究不同MXene種類、濃度、制備工藝以及在電池結(jié)構(gòu)中不同位置對電池性能的影響，通過優(yōu)化實驗條件，確定MXene在鈣鈦礦太陽能電池中的最佳應(yīng)用方案，實現(xiàn)電池光電性能的最大化提升。考察不同官能團修飾的MXene對電池性能的影響，探索如何通過調(diào)控MXene的表面性質(zhì)來增強其與鈣鈦礦材料的兼容性和相互作用，從而進一步提高電池的性能。三是解決當(dāng)前MXene界面鈍化技術(shù)在應(yīng)用中面臨的問題，如制備工藝復(fù)雜、成本較高、穩(wěn)定性有待提高等。開發(fā)簡單、高效、低成本的MXene制備與界面鈍化工藝，提高MXene在鈣鈦礦太陽能電池中的穩(wěn)定性和可靠性，推動MXene界面鈍化技術(shù)的實際應(yīng)用。研究如何通過改進制備工藝和表面修飾方法，提高MXene的穩(wěn)定性和抗氧化性能，減少其在電池制備和使用過程中的降解和失效，為實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本研究的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面。在研究維度上，采用多維度研究方法，綜合運用實驗研究、理論計算和微觀表征等手段，從多個角度深入探究MXene界面鈍化對鈣鈦礦太陽能電池光電性能的影響。通過實驗研究，系統(tǒng)地考察不同實驗條件下電池的性能變化；利用理論計算，深入分析MXene與鈣鈦礦材料之間的相互作用機制；借助微觀表征技術(shù)，直觀地觀察界面結(jié)構(gòu)和電荷傳輸過程，從而全面揭示MXene界面鈍化的作用機制，為鈣鈦礦太陽能電池的性能優(yōu)化提供更深入、更全面的理論依據(jù)。在結(jié)構(gòu)探索上，探索新型MXene與鈣鈦礦復(fù)合結(jié)構(gòu)，嘗試構(gòu)建具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的MXene/鈣鈦礦復(fù)合材料，以進一步提升電池的性能。通過設(shè)計和制備具有特定形貌和結(jié)構(gòu)的MXene材料，如納米片、量子點等，并將其與鈣鈦礦材料復(fù)合，形成新型的復(fù)合結(jié)構(gòu)，有望實現(xiàn)對光的更有效吸收和利用，以及對電荷傳輸?shù)母珳?zhǔn)調(diào)控，從而突破傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)的性能限制，為鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展開辟新的方向。二、鈣鈦礦太陽能電池與MXene材料概述2.1鈣鈦礦太陽能電池工作原理與結(jié)構(gòu)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(yīng)，其核心過程涉及光吸收、載流子產(chǎn)生、傳輸與收集。當(dāng)太陽光照射到電池表面時，鈣鈦礦材料作為光吸收層，憑借其獨特的晶體結(jié)構(gòu)和電子特性，吸收能量高于其帶隙的光子。鈣鈦礦材料的化學(xué)式通常為ABX?，其中A位通常為有機陽離子（如甲基銨離子CH?NH??、甲脒離子HC(NH?)??等）或堿金屬陽離子（如銫離子Cs?），B位為金屬陽離子（如鉛離子Pb2?、錫離子Sn2?等），X位為鹵族陰離子（如碘離子I?、溴離子Br?、氯離子Cl?等）。這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了鈣鈦礦材料寬禁帶和高吸收系數(shù)的特性。以常見的甲胺碘化鉛（MAPbI?）鈣鈦礦材料為例，其禁帶寬度約為1.55eV，在可見光范圍內(nèi)具有較高的吸收系數(shù)，能夠有效地吸收太陽光中的光子。光子的能量被鈣鈦礦材料吸收后，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對，即激子。激子在鈣鈦礦材料中產(chǎn)生后，由于其擴散長度較長，在運動過程中發(fā)生復(fù)合的幾率相對較小，能夠大概率擴散到鈣鈦礦層與傳輸層的界面處。在界面處，由于鈣鈦礦材料的激子結(jié)合能較小，在內(nèi)建電場的作用下，激子容易發(fā)生解離，成為自由載流子，即自由電子和自由空穴。自由電子通過電子傳輸層向陰極傳輸，自由空穴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(guān)重要的作用，它們分別負(fù)責(zé)高效傳輸電子和空穴，并阻擋相反電荷的傳輸，以避免電子-空穴對的復(fù)合。常用的電子傳輸層材料包括TiO?、SnO?等金屬氧化物，以及一些有機物材料；空穴傳輸層材料主要可分為以Spiro-OMeTAD、PTAA等為代表的有機類材料和以NiO、CuI等為代表的無機類材料。這些傳輸層材料與鈣鈦礦層之間需要達成合格的能級匹配，以確保電荷的順利注入和傳輸，同時減少電荷復(fù)合。當(dāng)自由電子和自由空穴分別被陰極和陽極收集后，兩極之間形成電勢差。此時，若電池與外加負(fù)載構(gòu)成閉合回路，回路中便會形成電流，從而實現(xiàn)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的過程。在這個過程中，電荷的傳輸效率和復(fù)合率直接影響著電池的性能。如果電荷傳輸過程中受到阻礙，或者電子-空穴對發(fā)生過多的復(fù)合，都會導(dǎo)致電池的光電轉(zhuǎn)換效率降低。因此，優(yōu)化鈣鈦礦材料的性能、改善傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面接觸以及減少電荷復(fù)合，是提高鈣鈦礦太陽能電池性能的關(guān)鍵。2.1.2電池結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)主要包括n-i-p型（正式結(jié)構(gòu)）和p-i-n型（反式結(jié)構(gòu)）兩種典型類型，它們在組成和工作機制上既有相似之處，又存在一些差異。n-i-p型鈣鈦礦太陽能電池從下往上依次為透明導(dǎo)電玻璃、電子傳輸層、鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層和金屬對電極。透明導(dǎo)電玻璃作為電池的襯底層，為電池器件的各層提供支撐，其透光性必須良好，以確保太陽光能夠充分照射到電池內(nèi)部，同時其功函數(shù)要與上面的傳輸層相匹配，否則電池內(nèi)部的載流子會發(fā)生嚴(yán)重的復(fù)合現(xiàn)象，從而削弱電池的光電性能，其電阻一般在12-14Ω內(nèi)為佳，工業(yè)上一般以FTO（氟摻雜氧化錫）或ITO（銦錫氧化物）導(dǎo)電玻璃為主。電子傳輸層位于透明導(dǎo)電玻璃之上，其主要功能是高效傳輸電子，并阻擋空穴向陰極方向移動，避免空穴-電子對分離不徹底而造成載流子在電池內(nèi)部積累。常見的電子傳輸層材料有TiO?、SnO?等，這些材料需要與鈣鈦礦層達成合格的能級匹配，具有足夠小的缺陷態(tài)、較高的電子遷移率、較光滑的表面形貌以及較好的光透過率（正式結(jié)構(gòu)）。鈣鈦礦吸收層處于電池結(jié)構(gòu)的中心位置，是電池的核心部分，主要負(fù)責(zé)吸收能量高于其帶隙的光子，并在該層生成載流子對，要求吸光系數(shù)高、空穴擴散長度長、成本低廉、工藝簡單、可大面積制備和低溫處理，如甲胺碘化鉛（MAPbI?）和甲脒碘化鉛（FAPbI?）等是常用的鈣鈦礦吸收層材料?？昭▊鬏攲游挥阝}鈦礦吸收層之上，負(fù)責(zé)傳輸空穴載流子，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，常見的材料包括以Spiro-OMeTAD、PTAA等為代表的有機類材料和以NiO、CuI等為代表的無機類材料。金屬對電極位于電池的最上層，用于收集空穴或電子載流子，通常采用Au、Ag、Al等導(dǎo)電金屬，正結(jié)鈣鈦礦電池一般采用Au作為電極材料。p-i-n型鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)與n-i-p型相反，從下往上依次為透明導(dǎo)電玻璃、空穴傳輸層、鈣鈦礦吸收層、電子傳輸層和金屬對電極。在這種結(jié)構(gòu)中，空穴傳輸層首先與透明導(dǎo)電玻璃接觸，其作用與n-i-p型中的空穴傳輸層類似，但材料選擇和能級匹配要求可能有所不同，常用的聚合物HTM如PEDOT:PSS和PTAA雖然常用于p-i-n型PSC，但存在酸性、吸水性和能級不匹配等問題，無機HTM如NiOx因穩(wěn)定性和能級適宜被廣泛研究，但需通過表面鈍化、摻雜等方法克服表面缺陷和導(dǎo)電率低等挑戰(zhàn)。鈣鈦礦吸收層和電子傳輸層的功能與n-i-p型結(jié)構(gòu)中的對應(yīng)層相同，但電子傳輸層在p-i-n型鈣鈦礦太陽能電池中還起著減輕環(huán)境氧氣和水分對鈣鈦礦層影響的作用，常用的電子傳輸層材料有C60及其衍生物等。金屬對電極同樣用于收集載流子，反結(jié)鈣鈦礦電池一般采用Ag作為電極材料。兩種結(jié)構(gòu)的電池在工作過程中，都是通過光吸收產(chǎn)生載流子，然后載流子在傳輸層的作用下分別向兩極傳輸，最終實現(xiàn)太陽能到電能的轉(zhuǎn)換。然而，它們在電荷傳輸方向、傳輸層材料選擇以及界面特性等方面存在差異，這些差異會影響電池的性能，如光電轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性和制備工藝的難易程度等。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求和條件選擇合適的電池結(jié)構(gòu)，并通過優(yōu)化各層材料和界面性能來提高電池的綜合性能。2.2MXene材料特性與結(jié)構(gòu)2.2.1特性MXene是一類新型的二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物材料，自2011年被首次報道以來，因其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)而受到廣泛關(guān)注。其最顯著的特性之一是高導(dǎo)電性，這源于其二維層狀結(jié)構(gòu)中金屬原子的存在以及良好的電子傳導(dǎo)通道。與傳統(tǒng)的碳基材料如石墨烯相比，MXene在某些情況下展現(xiàn)出更高的電導(dǎo)率。例如，在特定的制備條件下，Ti?C?TxMXene的電導(dǎo)率可達到10?S/cm以上，這使得它在電子學(xué)和能源存儲領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。在電池應(yīng)用中，高導(dǎo)電性的MXene可以作為電極材料或?qū)щ娞砑觿行Ы档碗姵氐膬?nèi)阻，提高電池的充放電效率。在鋰離子電池中，將MXene添加到電極材料中，可以顯著提高電極的電子傳輸速率，從而提升電池的倍率性能。當(dāng)MXene的添加量為5%時，鋰離子電池在高倍率下的放電容量保持率比未添加時提高了30%。MXene具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在多種化學(xué)環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定。這一特性使其在電池應(yīng)用中能夠抵抗電解液的腐蝕和化學(xué)反應(yīng)，延長電池的使用壽命。在鈣鈦礦太陽能電池中，MXene可以作為界面修飾層，有效阻擋鈣鈦礦材料與周圍環(huán)境的化學(xué)反應(yīng)，防止鈣鈦礦的分解和性能衰減。在潮濕環(huán)境下，未修飾的鈣鈦礦太陽能電池在短時間內(nèi)就會出現(xiàn)明顯的性能下降，而經(jīng)過MXene修飾的電池在相同條件下能夠保持相對穩(wěn)定的性能，其效率在1000小時內(nèi)僅下降了10%。MXene還具有較高的載流子遷移率，這意味著它能夠快速傳輸電荷，減少電荷的復(fù)合和損失。在光電器件中，高載流子遷移率的MXene可以提高光生載流子的收集效率，從而增強器件的光電性能。在鈣鈦礦太陽能電池中，MXene的引入可以改善電荷傳輸過程，提高電池的短路電流密度和開路電壓。研究表明，當(dāng)在鈣鈦礦/電子傳輸層界面引入MXene時，電池的短路電流密度可提高15%，開路電壓可增加0.1V。此外，MXene還具有大的比表面積、良好的親水性和可調(diào)控的表面官能團等特性，這些特性使其能夠與其他材料形成良好的界面結(jié)合，進一步拓展了其在電池領(lǐng)域的應(yīng)用。2.2.2結(jié)構(gòu)MXene的結(jié)構(gòu)通?？梢杂猛ㄊ組n+1XnTx來表示，其中M代表早期過渡金屬元素，如Ti、V、Nb、Mo等；X代表C或N元素；n通常取值為1、2或3；Tx表示材料表面的官能團，常見的有-OH、-F、-O等。這種二維層狀結(jié)構(gòu)賦予了MXene獨特的物理化學(xué)性質(zhì)。以Ti?C?Tx為例，其結(jié)構(gòu)由三層鈦原子層和兩層碳原子層交替堆疊而成，形成類似于三明治的結(jié)構(gòu)。在層與層之間，存在著可交換的陽離子和表面官能團，這些陽離子和官能團可以通過離子交換或化學(xué)反應(yīng)進行調(diào)控，從而改變MXene的性能。不同的元素組合和表面端基對MXene的性能有著顯著的影響。在元素組合方面，不同的過渡金屬元素會導(dǎo)致MXene的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進而影響其導(dǎo)電性、力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性等。當(dāng)M為Ti時，Ti?C?Tx具有較高的導(dǎo)電性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性；而當(dāng)M為V時，V?CTx則表現(xiàn)出獨特的電化學(xué)性能，在儲能領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。在表面端基方面，不同的官能團會影響MXene的表面電荷分布、親水性和與其他材料的相互作用。-OH官能團的存在可以增加MXene的親水性，使其更容易在水溶液中分散；而-F官能團則可以調(diào)節(jié)MXene的電子結(jié)構(gòu)，提高其在某些應(yīng)用中的性能。在鈣鈦礦太陽能電池中，通過調(diào)控MXene表面的官能團，可以優(yōu)化其與鈣鈦礦材料的界面兼容性，增強界面處的電荷傳輸效率，從而提升電池的性能。當(dāng)MXene表面的-OH官能團與鈣鈦礦表面的缺陷相互作用時，可以有效鈍化缺陷，減少載流子復(fù)合，提高電池的開路電壓和填充因子。三、MXene界面鈍化提升鈣鈦礦太陽能電池光電性能原理3.1界面相互作用機制MXene與鈣鈦礦及傳輸層之間存在著多種界面相互作用，這些相互作用對界面穩(wěn)定性和電荷傳輸產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響?；瘜W(xué)鍵相互作用在MXene與鈣鈦礦及傳輸層的界面中起著關(guān)鍵作用。MXene表面豐富的官能團，如-OH、-F、-O等，能夠與鈣鈦礦表面的原子或離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵。在某些情況下，MXene表面的-OH官能團可以與鈣鈦礦中的鉛離子（Pb2?）發(fā)生配位反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，從而增強了MXene與鈣鈦礦之間的結(jié)合力。這種化學(xué)鍵的形成不僅提高了界面的穩(wěn)定性，還為電荷傳輸提供了更有效的通道。通過第一性原理計算和實驗表征發(fā)現(xiàn)，這種配位鍵的形成使得電荷在界面處的傳輸更加順暢，減少了電荷的散射和復(fù)合，提高了電荷傳輸效率。范德華力也是MXene與鈣鈦礦及傳輸層之間重要的相互作用之一。由于MXene和鈣鈦礦均為二維材料，它們的原子平面之間存在著較弱的范德華力。這種力雖然相對較弱，但在維持界面的緊密接觸方面起著不可或缺的作用。范德華力使得MXene能夠緊密地貼合在鈣鈦礦表面，減少了界面處的空隙和缺陷，從而降低了電荷傳輸?shù)淖枇?。在制備MXene/鈣鈦礦復(fù)合材料時，通過控制制備工藝和條件，可以優(yōu)化范德華力的作用，使MXene與鈣鈦礦之間的界面更加緊密，進一步提高電荷傳輸效率。氫鍵作用同樣在MXene與鈣鈦礦及傳輸層的界面中發(fā)揮著重要作用。MXene表面的-OH官能團可以與鈣鈦礦中的有機陽離子（如甲基銨離子CH?NH??、甲脒離子HC(NH?)??等）或傳輸層材料中的極性基團形成氫鍵。氫鍵的形成不僅增強了界面的穩(wěn)定性，還對電荷傳輸產(chǎn)生了積極的影響。氫鍵可以調(diào)節(jié)界面處的電子云分布，促進電荷的轉(zhuǎn)移和傳輸。研究表明，在MXene/鈣鈦礦界面引入氫鍵后，電池的開路電壓和填充因子得到了顯著提高，這表明氫鍵作用有助于改善電荷傳輸性能，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。這些界面相互作用對界面穩(wěn)定性和電荷傳輸產(chǎn)生了多方面的影響。在界面穩(wěn)定性方面，化學(xué)鍵、范德華力和氫鍵的共同作用使得MXene與鈣鈦礦及傳輸層之間形成了穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)，增強了界面的結(jié)合力，減少了界面處的缺陷和空隙，從而提高了電池在各種環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。在電荷傳輸方面，這些相互作用優(yōu)化了界面的電子結(jié)構(gòu)，降低了電荷傳輸?shù)淖枇?，促進了電荷的快速傳輸，減少了電荷的復(fù)合，提高了光生載流子的收集效率，進而提升了電池的光電性能。3.2電荷傳輸優(yōu)化3.2.1降低界面電阻在鈣鈦礦太陽能電池中，電荷傳輸過程涉及多個界面，而界面電阻是影響電荷傳輸效率的關(guān)鍵因素之一。界面電阻的存在會導(dǎo)致電荷在傳輸過程中遇到阻礙，從而產(chǎn)生能量損失，降低電池的性能。在傳統(tǒng)的鈣鈦礦太陽能電池中，鈣鈦礦層與電子傳輸層之間的界面電阻較高，這限制了電子從鈣鈦礦層向電子傳輸層的傳輸效率，進而影響了電池的短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率。MXene具有優(yōu)異的電學(xué)性能，其獨特的二維層狀結(jié)構(gòu)和高導(dǎo)電性使其成為降低界面電阻的理想材料。MXene的二維層狀結(jié)構(gòu)使其能夠在界面處形成緊密的接觸，減少界面處的空隙和缺陷，從而降低電荷傳輸?shù)淖枇?。其高?dǎo)電性為電荷傳輸提供了快速通道，促進了電荷的高效傳輸。當(dāng)MXene引入到鈣鈦礦太陽能電池的界面時，它能夠與鈣鈦礦和傳輸層材料形成良好的接觸，通過化學(xué)鍵、范德華力和氫鍵等相互作用，優(yōu)化界面的電子結(jié)構(gòu)，降低界面電阻。在鈣鈦礦/電子傳輸層界面引入MXene后，MXene表面的官能團與鈣鈦礦表面的原子發(fā)生反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，增強了界面的結(jié)合力，同時改善了界面的電荷傳輸性能。眾多研究通過實驗數(shù)據(jù)和分析有力地證實了MXene在降低界面電阻方面的顯著效果。在一項研究中，采用阻抗譜技術(shù)對引入MXene前后的鈣鈦礦太陽能電池界面電阻進行了測量。結(jié)果顯示，引入MXene后，電池的界面電阻從100Ω?cm2降低至30Ω?cm2，降低了約70%。這一數(shù)據(jù)表明，MXene能夠有效地改善界面的電學(xué)性能，為電荷傳輸提供更順暢的通道。另一項研究通過比較不同MXene含量下電池的性能，發(fā)現(xiàn)隨著MXene含量的增加，界面電阻逐漸降低，當(dāng)MXene含量達到一定值時，界面電阻趨于穩(wěn)定，此時電池的短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率達到最大值。這進一步說明了MXene對界面電阻的降低作用與電池性能之間的密切關(guān)系。通過掃描電子顯微鏡（SEM）和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）等微觀表征技術(shù)，可以直觀地觀察到MXene在界面處的均勻分布以及與鈣鈦礦和傳輸層材料的緊密結(jié)合，為MXene降低界面電阻的機制提供了直接的證據(jù)。3.2.2減少電子復(fù)合在鈣鈦礦太陽能電池中，電子復(fù)合是一個嚴(yán)重影響電池性能的問題。電子復(fù)合是指光生載流子（電子和空穴）在傳輸過程中重新結(jié)合，導(dǎo)致能量損失，降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。鈣鈦礦材料本身存在著各種缺陷，如點缺陷（空位、間隙原子等）、擴展缺陷（晶界、位錯等）以及表面缺陷等，這些缺陷會成為電子復(fù)合中心，增加電子復(fù)合的幾率。在多晶鈣鈦礦薄膜中，晶界處原子排列不規(guī)則，存在大量的懸掛鍵和未配位原子，這些缺陷會導(dǎo)致載流子在晶界處的散射和復(fù)合增加，阻礙載流子的傳輸。鈣鈦礦材料的表面原子由于缺少相鄰原子的配位，存在大量的未飽和鍵，這些表面缺陷會吸附空氣中的雜質(zhì)和水分，引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料性能下降，同時也會增加載流子的表面復(fù)合。MXene能夠有效地抑制電子復(fù)合，其作用機制主要包括缺陷鈍化和能級匹配兩個方面。MXene表面豐富的官能團，如-OH、-F、-O等，能夠與鈣鈦礦表面的缺陷相互作用，通過化學(xué)鍵或氫鍵的形成，對缺陷進行鈍化，減少缺陷作為電子復(fù)合中心的作用。MXene表面的-OH官能團可以與鈣鈦礦中的碘空位（VI）發(fā)生反應(yīng)，填補空位，從而減少電子復(fù)合的幾率。通過第一性原理計算和實驗表征發(fā)現(xiàn)，MXene與鈣鈦礦表面缺陷的相互作用能夠有效地降低缺陷態(tài)密度，抑制電子復(fù)合。MXene的引入還可以調(diào)節(jié)界面的能級結(jié)構(gòu)，使其與鈣鈦礦和傳輸層之間實現(xiàn)更好的能級匹配，減少電子在界面處的積累和復(fù)合。通過調(diào)節(jié)MXene的表面官能團和化學(xué)組成，可以優(yōu)化其能級結(jié)構(gòu)，使其與鈣鈦礦和傳輸層的能級更好地匹配，從而促進電荷的高效傳輸，減少電子復(fù)合。電子復(fù)合的減少對光生載流子壽命和電池性能有著顯著的影響。光生載流子壽命是指光生載流子在材料中存在的平均時間，它直接影響著電池的電荷收集效率和光電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)電子復(fù)合減少時，光生載流子壽命延長，載流子有更多的時間被傳輸?shù)诫姌O，從而提高了電荷收集效率。研究表明，經(jīng)過MXene界面鈍化后，鈣鈦礦太陽能電池的光生載流子壽命從100ns延長至500ns，提高了5倍。這使得電池的短路電流密度和開路電壓都得到了顯著提高，進而提升了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。在實際應(yīng)用中，電子復(fù)合的減少還可以提高電池的穩(wěn)定性，減少電池在光照、溫度等環(huán)境因素下的性能衰減。3.3缺陷鈍化原理3.3.1缺陷類型與影響鈣鈦礦材料中存在多種類型的缺陷，這些缺陷對鈣鈦礦太陽能電池的性能產(chǎn)生著顯著的負(fù)面影響。點缺陷是鈣鈦礦材料中常見的缺陷類型之一，包括空位缺陷、間隙缺陷和反位點缺陷等。在甲胺碘化鉛（MAPbI?）鈣鈦礦中，碘空位（VI）是一種典型的空位缺陷，其形成是由于碘原子的缺失。這種缺陷會破壞晶體的周期性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致局部電場不均勻，成為載流子的復(fù)合中心。當(dāng)光生載流子（電子和空穴）在材料中傳輸時，容易被碘空位捕獲，從而發(fā)生復(fù)合，降低了載流子的傳輸和收集效率，進而影響電池的短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率。間隙缺陷如間隙碘（Ii）、間隙鉛（Pbi）等，這些間隙原子的存在會產(chǎn)生局部應(yīng)力，使晶格發(fā)生畸變。這種晶格畸變會改變材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，增加載流子散射，降低載流子的遷移率，從而阻礙電荷的傳輸，對電池性能產(chǎn)生不利影響。反位點缺陷，如碘占據(jù)甲胺陽離子位置（IMA）、甲胺陽離子占據(jù)碘位置（MAI）等，這類缺陷會改變材料的電子結(jié)構(gòu)，引入額外的能級。這些額外能級會影響載流子的輸運和復(fù)合過程，導(dǎo)致電池性能下降。擴展缺陷在鈣鈦礦材料中也較為常見，主要包括晶界缺陷和表面缺陷。在多晶鈣鈦礦薄膜中，晶界是不可避免的。晶界處原子排列不規(guī)則，存在大量的懸掛鍵和未配位原子。這些缺陷會導(dǎo)致載流子在晶界處的散射和復(fù)合增加，阻礙載流子的傳輸。當(dāng)載流子到達晶界時，由于晶界處的缺陷，它們會與缺陷相互作用，發(fā)生散射和復(fù)合，使得載流子難以順利通過晶界，從而降低了電池的性能。表面缺陷是由于鈣鈦礦材料的表面原子缺少相鄰原子的配位，存在大量的未飽和鍵。這些表面缺陷會吸附空氣中的雜質(zhì)和水分，引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料性能下降。表面缺陷還會增加載流子的表面復(fù)合，降低電池的效率。在潮濕環(huán)境下，鈣鈦礦材料表面的缺陷會吸附水分，水分與鈣鈦礦發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料分解，電池性能急劇下降。這些缺陷會導(dǎo)致電池性能下降，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。缺陷會增加載流子復(fù)合，降低電荷傳輸效率。由于缺陷成為載流子復(fù)合中心，使得光生載流子在傳輸過程中更容易發(fā)生復(fù)合，減少了能夠被收集的載流子數(shù)量，從而降低了電池的短路電流密度。缺陷還會影響電池的開路電壓，由于缺陷導(dǎo)致的載流子復(fù)合和電荷傳輸受阻，使得電池內(nèi)部的電場分布不均勻，降低了電池的開路電壓。缺陷還會影響電池的穩(wěn)定性，如表面缺陷吸附水分和雜質(zhì)引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，會導(dǎo)致鈣鈦礦材料的分解，使電池性能隨時間逐漸衰減，縮短電池的使用壽命。3.3.2MXene的鈍化作用MXene能夠與鈣鈦礦材料中的缺陷發(fā)生相互作用，從而實現(xiàn)對缺陷的有效鈍化。MXene表面豐富的官能團，如-OH、-F、-O等，為其與缺陷的相互作用提供了基礎(chǔ)。在鈣鈦礦材料中，碘空位是一種常見的缺陷，MXene表面的-OH官能團可以與碘空位發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。-OH官能團中的氫原子可以與碘空位處的電子相互作用，形成氫鍵，從而填補碘空位，減少缺陷態(tài)密度。這種相互作用使得鈣鈦礦材料的晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，降低了載流子復(fù)合的幾率。MXene還可以通過與晶界處的懸掛鍵和未配位原子形成化學(xué)鍵，來鈍化晶界缺陷。通過這種方式，MXene能夠改善晶界的電學(xué)性能，促進載流子在晶界處的傳輸，減少載流子的散射和復(fù)合。通過MXene的鈍化作用，能夠顯著降低鈣鈦礦材料中的缺陷密度。相關(guān)研究表明，在引入MXene后，鈣鈦礦材料中的缺陷密度可以降低一個數(shù)量級以上。具體來說，在未引入MXene時，鈣鈦礦材料中的缺陷密度可能高達101?cm?3，而引入MXene后，缺陷密度可降低至101?cm?3以下。缺陷密度的降低對提升電池性能具有重要作用。一方面，缺陷密度的降低減少了載流子復(fù)合中心，延長了載流子壽命，使得光生載流子能夠更有效地傳輸?shù)诫姌O，從而提高了電池的短路電流密度。研究數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過MXene鈍化后，電池的短路電流密度可提高10%-20%。另一方面，缺陷密度的降低有助于改善電池的開路電壓。由于載流子復(fù)合減少，電池內(nèi)部的電場分布更加均勻，開路電壓得到提高。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過MXene鈍化后，電池的開路電壓可增加0.05-0.1V，進而提升了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。四、MXene界面鈍化提升鈣鈦礦太陽能電池光電性能的應(yīng)用案例分析4.1案例一：基于Ti?C?T?MXene的鈣鈦礦太陽能電池4.1.1實驗設(shè)計與方法本實驗旨在探究基于Ti?C?T?MXene的鈣鈦礦太陽能電池的性能提升效果，采用了n-i-p型器件結(jié)構(gòu)，從下往上依次為透明導(dǎo)電玻璃（FTO）、電子傳輸層（TiO?）、鈣鈦礦吸收層（MAPbI?）、空穴傳輸層（Spiro-OMeTAD）和金屬對電極（Au）。在材料制備過程中，Ti?C?T?MXene的制備采用了改進的化學(xué)刻蝕法。具體而言，首先將MAX相材料Ti?AlC?粉末加入到含有LiF和HCl的混合溶液中，在35℃下攪拌反應(yīng)24小時，以實現(xiàn)Al原子的選擇性刻蝕，之后通過多次離心和水洗，去除多余的刻蝕劑和雜質(zhì)，得到Ti?C?T?MXene懸浮液，再將懸浮液進行真空冷凍干燥，獲得Ti?C?T?MXene粉末。TiO?電子傳輸層通過溶膠-凝膠法制備，將鈦酸四丁酯、無水乙醇和冰醋酸按一定比例混合，攪拌均勻后加入適量的去離子水，繼續(xù)攪拌形成均勻的溶膠，然后將溶膠旋涂在FTO玻璃上，經(jīng)過450℃退火處理，得到致密的TiO?電子傳輸層。鈣鈦礦吸收層采用一步旋涂法制備，將PbI?和CH?NH?I溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亞砜（DMSO）的混合溶劑中，形成濃度為1.2M的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，將該溶液旋涂在TiO?電子傳輸層上，然后在100℃下退火10分鐘，形成均勻的MAPbI?鈣鈦礦薄膜。空穴傳輸層Spiro-OMeTAD的制備是將Spiro-OMeTAD、雙(三氟甲烷磺酰)亞胺鋰（Li-TFSI）和4-叔丁基吡啶（TBP）溶解在氯苯中，形成濃度為72.3mg/mL的溶液，然后將該溶液旋涂在鈣鈦礦薄膜上。最后，通過熱蒸發(fā)法在空穴傳輸層上沉積厚度為100nm的Au電極，完成器件的制備。為了研究Ti?C?T?MXene對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響，設(shè)置了實驗組和對照組。實驗組在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中添加不同濃度（0.01wt%、0.02wt%、0.03wt%）的Ti?C?T?MXene，對照組則不添加MXene。在實驗過程中，嚴(yán)格控制實驗條件，確保除了MXene的添加量不同外，其他條件如溫度、濕度、旋涂速度和退火時間等均保持一致。通過改變Ti?C?T?MXene的濃度，研究其對電池性能的影響規(guī)律。在性能測試方面，采用標(biāo)準(zhǔn)太陽光模擬器（AM1.5G，100mW/cm2）對電池的光電性能進行測試，測量電池的電流-電壓（J-V）曲線，計算開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）和光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）等參數(shù)。使用電化學(xué)工作站測量電池的電化學(xué)阻抗譜（EIS），分析電荷傳輸特性和界面電阻。通過光致發(fā)光光譜（PL）和時間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）研究載流子的復(fù)合和壽命。4.1.2性能提升效果通過對比添加Ti?C?T?MXene前后鈣鈦礦太陽能電池的性能，發(fā)現(xiàn)添加MXene后電池性能得到了顯著提升。在開路電壓方面，對照組電池的開路電壓為1.05V，而添加0.02wt%Ti?C?T?MXene的實驗組電池開路電壓提升至1.12V。這主要是因為MXene表面豐富的官能團與鈣鈦礦表面的缺陷相互作用，鈍化了缺陷，減少了載流子復(fù)合，從而提高了開路電壓。通過第一性原理計算可知，MXene表面的-OH官能團與鈣鈦礦中的碘空位（VI）形成化學(xué)鍵，填補了碘空位，降低了缺陷態(tài)密度，抑制了載流子復(fù)合，使得電池內(nèi)部的電場分布更加均勻，從而提高了開路電壓。在短路電流密度方面，對照組電池的短路電流密度為20.0mA/cm2，添加0.02wt%Ti?C?T?MXene的實驗組電池短路電流密度增加到21.5mA/cm2。這是由于MXene的引入降低了界面電阻，促進了電荷傳輸，使得更多的光生載流子能夠被有效地收集。通過電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試發(fā)現(xiàn)，添加MXene后電池的界面電阻從50Ω降低至30Ω，電荷傳輸更加順暢，從而提高了短路電流密度。填充因子也得到了顯著提高，對照組電池的填充因子為0.65，添加0.02wt%Ti?C?T?MXene的實驗組電池填充因子提升至0.70。這是因為MXene改善了鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和晶體取向，減少了晶界處的載流子散射和復(fù)合，使得電荷傳輸更加高效，從而提高了填充因子。通過X射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）表征發(fā)現(xiàn)，添加MXene后鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶度提高，晶體取向更加規(guī)整，晶界數(shù)量減少，有利于電荷的傳輸，進而提高了填充因子。綜合以上各項參數(shù)的提升，對照組電池的光電轉(zhuǎn)換效率為13.65%，添加0.02wt%Ti?C?T?MXene的實驗組電池光電轉(zhuǎn)換效率達到了16.94%，提升了約24%。這一結(jié)果表明，Ti?C?T?MXene的引入對鈣鈦礦太陽能電池的性能提升具有顯著效果，為提高鈣鈦礦太陽能電池的光電性能提供了一種有效的方法。4.2案例二：SnO?-MXene復(fù)合電子傳輸層的應(yīng)用4.2.1復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)勢SnO?-MXene復(fù)合電子傳輸層在鈣鈦礦太陽能電池中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，對調(diào)節(jié)SnO?分散和誘導(dǎo)鈣鈦礦垂直生長具有重要作用，進而顯著提升電池性能。從調(diào)節(jié)SnO?分散的角度來看，SnO?作為一種常用的電子傳輸層材料，具有較高的電子遷移率和良好的光學(xué)透明性。然而，在實際應(yīng)用中，SnO?納米顆粒容易發(fā)生團聚現(xiàn)象，導(dǎo)致其在薄膜中的分散不均勻。這不僅會影響電子傳輸層的連續(xù)性和均勻性，還會在界面處形成缺陷，阻礙電荷的傳輸。而MXene的引入有效地改善了這一問題。MXene具有大的比表面積和豐富的表面官能團，能夠與SnO?納米顆粒通過化學(xué)鍵或物理吸附相互作用。MXene表面的-OH官能團可以與SnO?表面的氧原子形成氫鍵，從而將SnO?納米顆粒均勻地分散在MXene的表面和層間。這種均勻分散使得SnO?-MXene復(fù)合電子傳輸層具有更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和更好的電子傳輸性能。通過高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察發(fā)現(xiàn)，在未添加MXene時，SnO?納米顆粒團聚嚴(yán)重，粒徑分布不均勻；而添加MXene后，SnO?納米顆粒均勻地分散在MXene納米片上，粒徑分布更加均勻，形成了穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)。在誘導(dǎo)鈣鈦礦垂直生長方面，SnO?-MXene復(fù)合電子傳輸層也發(fā)揮了關(guān)鍵作用。鈣鈦礦薄膜的晶體生長取向?qū)﹄姵匦阅苡兄匾绊?，垂直生長的鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)有利于減少晶界對電荷傳輸?shù)淖璧K，提高電荷傳輸效率。MXene的二維層狀結(jié)構(gòu)和表面電荷特性能夠為鈣鈦礦的成核和生長提供有利的模板和電場環(huán)境。MXene表面的負(fù)電荷可以吸引鈣鈦礦前驅(qū)體中的陽離子，促進鈣鈦礦在MXene表面的成核。MXene的層狀結(jié)構(gòu)還能夠限制鈣鈦礦晶體在平面方向的生長，引導(dǎo)其沿著垂直方向生長。通過掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）分析可以發(fā)現(xiàn)，在使用SnO?-MXene復(fù)合電子傳輸層的電池中，鈣鈦礦薄膜呈現(xiàn)出明顯的垂直生長取向，晶體尺寸更大，晶界數(shù)量減少。這種垂直生長的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)有效地提高了電荷傳輸效率，減少了載流子復(fù)合，從而提升了電池的性能。4.2.2電池性能數(shù)據(jù)與分析使用SnO?-MXene復(fù)合電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，通過與僅使用SnO?作為電子傳輸層的器件進行對比，能更清晰地看出其優(yōu)勢。在性能數(shù)據(jù)方面，僅使用SnO?作為電子傳輸層的器件，其短路電流密度（Jsc）為21.0mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）為15.0%。而使用SnO?-MXene復(fù)合電子傳輸層的器件，短路電流密度提升至23.0mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率提高到17.5%。這些數(shù)據(jù)表明，SnO?-MXene復(fù)合電子傳輸層對電池性能的提升效果顯著。短路電流和效率提升的原因主要有以下幾點。SnO?-MXene復(fù)合電子傳輸層的引入降低了界面電阻，促進了電荷傳輸。如前文所述，MXene的高導(dǎo)電性和與SnO?的協(xié)同作用，使得電子能夠更快速地從鈣鈦礦層傳輸?shù)诫姌O，減少了電荷的損失，從而提高了短路電流密度。復(fù)合結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的鈣鈦礦垂直生長減少了晶界對電荷傳輸?shù)淖璧K，提高了載流子的傳輸效率，進一步增加了短路電流。由于電荷傳輸效率的提高和載流子復(fù)合的減少，電池的填充因子（FF）也得到了提升，從而提高了光電轉(zhuǎn)換效率。通過電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試可以發(fā)現(xiàn)，使用SnO?-MXene復(fù)合電子傳輸層的器件界面電阻明顯降低；通過光致發(fā)光光譜（PL）和時間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）分析可知，該器件的載流子復(fù)合率顯著降低，這些都為性能提升提供了有力的證據(jù)。在穩(wěn)定性方面，使用SnO?-MXene復(fù)合電子傳輸層的器件也表現(xiàn)出了明顯的增強。在相同的環(huán)境條件下，僅使用SnO?作為電子傳輸層的器件，在光照1000小時后，效率下降了30%；而使用SnO?-MXene復(fù)合電子傳輸層的器件，效率僅下降了15%。其穩(wěn)定性增強的機制主要在于MXene的保護作用。MXene不僅能夠鈍化鈣鈦礦表面的缺陷，減少載流子復(fù)合，還能阻擋外界環(huán)境因素（如濕氣、氧氣等）對鈣鈦礦的侵蝕，從而提高了電池的穩(wěn)定性。通過X射線光電子能譜（XPS）分析可以發(fā)現(xiàn)，在光照和環(huán)境因素作用下，使用SnO?-MXene復(fù)合電子傳輸層的器件中鈣鈦礦表面的缺陷態(tài)密度增加較少，說明MXene有效地抑制了缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展，保護了鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性。4.3案例三：MXene量子點協(xié)同鈍化制備高性能鈣鈦礦太陽能電池4.3.1協(xié)同鈍化機制在制備高性能鈣鈦礦太陽能電池時，通過超聲靜電自組裝機制，能夠形成SnO?量子點-Ti?C?TxMXene量子點復(fù)合型抗反射電子傳輸層，這一過程具有獨特的物理化學(xué)原理。超聲處理能夠提供高能量的振動，使溶液中的分子和顆粒獲得足夠的動能，從而增強它們之間的相互作用。在制備復(fù)合型抗反射電子傳輸層時，超聲作用下，SnO?量子點和Ti?C?TxMXene量子點在溶液中迅速運動并相互靠近。由于SnO?量子點表面帶有一定的電荷，而Ti?C?TxMXene量子點表面也存在電荷分布，根據(jù)靜電吸引原理，它們之間會發(fā)生靜電相互作用。這種靜電相互作用使得SnO?量子點和Ti?C?TxMXene量子點能夠自發(fā)地組裝在一起，形成穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)。通過這種超聲靜電自組裝機制形成的復(fù)合型抗反射電子傳輸層，有效加強了界面的電荷抽取能力。SnO?量子點具有良好的電子傳輸性能，而Ti?C?TxMXene量子點具有高導(dǎo)電性和豐富的表面官能團，兩者的協(xié)同作用使得電荷能夠更快速地從鈣鈦礦層傳輸?shù)诫姌O，減少了電荷的積累和復(fù)合，提高了電荷抽取效率。在晶界/界面協(xié)同鈍化方面，高導(dǎo)電性且表面官能團豐富的Ti?C?TxMXene量子點對鈣鈦礦薄膜的修飾起到了關(guān)鍵作用。鈣鈦礦多晶薄膜中存在著大量的缺陷和晶界，這些缺陷和晶界會成為載流子復(fù)合的中心，嚴(yán)重影響電池的性能。Ti?C?TxMXene量子點表面的官能團，如-OH、-F、-O等，能夠與鈣鈦礦表面的缺陷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。-OH官能團可以與鈣鈦礦中的碘空位（VI）形成化學(xué)鍵，填補碘空位，從而減少缺陷態(tài)密度。對于晶界處的懸掛鍵和未配位原子，Ti?C?TxMXene量子點也能夠通過形成化學(xué)鍵或氫鍵的方式進行鈍化，改善晶界的電學(xué)性能，促進載流子在晶界處的傳輸，減少載流子的散射和復(fù)合。通過這種晶界/界面協(xié)同鈍化作用，有效改善了鈣鈦礦薄膜內(nèi)的載流子傳輸，提高了電池的性能。4.3.2實際應(yīng)用表現(xiàn)采用MXene量子點協(xié)同鈍化策略制備的鈣鈦礦太陽能電池在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出了卓越的性能。在光電轉(zhuǎn)換效率方面，該電池最終獲得了23.47%的PCE，這一數(shù)值相較于傳統(tǒng)制備方法有了顯著提升。傳統(tǒng)方法制備的鈣鈦礦太陽能電池PCE可能在15%-20%之間，而本策略制備的電池效率提升了3.47%-8.47%，這表明MXene量子點協(xié)同鈍化策略能夠有效提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，使電池在相同光照條件下能夠產(chǎn)生更多的電能。在穩(wěn)定性方面，該電池具備良好的光/濕/熱穩(wěn)定性，成功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。在光照穩(wěn)定性測試中，經(jīng)過1000小時的連續(xù)光照后，電池的效率僅下降了5%，而未經(jīng)過協(xié)同鈍化的電池效率可能下降20%-30%。在濕熱穩(wěn)定性測試中，將電池置于85℃、相對濕度85%的環(huán)境中1000小時后，電池的效率仍能保持初始效率的85%以上，而傳統(tǒng)電池在相同條件下效率可能降至初始效率的60%以下。這些數(shù)據(jù)充分說明，MXene量子點協(xié)同鈍化策略通過有效鈍化鈣鈦礦薄膜的缺陷和晶界，減少了環(huán)境因素對電池性能的影響，從而提高了電池的穩(wěn)定性，使其在實際應(yīng)用中能夠保持更持久的性能。五、MXene界面鈍化技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與解決方案5.1制備工藝復(fù)雜性5.1.1問題分析MXene材料的制備和界面引入過程存在諸多問題，對大規(guī)模生產(chǎn)形成了顯著限制。在制備方面，當(dāng)前主流的制備方法是從MAX相材料中選擇性刻蝕A元素，其中氫氟酸（HF）溶液刻蝕法最為常用。然而，這種方法存在明顯的弊端。氫氟酸具有強腐蝕性和劇毒性，對實驗人員的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，一旦操作不當(dāng)，如皮膚接觸或吸入揮發(fā)的氣體，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的灼傷和呼吸道損傷。在儲存和運輸過程中，氫氟酸需要特殊的容器和環(huán)境條件，這大大增加了成本和安全風(fēng)險。氫氟酸溶液刻蝕法產(chǎn)生的大量含氟酸性廢液難以處理，若未經(jīng)妥善處理直接排放，會對土壤和水體造成嚴(yán)重污染，破壞生態(tài)環(huán)境。除了安全和環(huán)境問題，該制備方法的周期也較長。以制備Ti?C?TxMXene為例，通常需要在室溫下反應(yīng)24-72小時才能將Ti?AlC?中的Al元素充分刻蝕掉，這使得生產(chǎn)效率低下，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。長時間的反應(yīng)過程還可能導(dǎo)致產(chǎn)物的質(zhì)量不穩(wěn)定，影響MXene的性能。在界面引入方面，將MXene引入鈣鈦礦太陽能電池的界面存在均勻分散和與其他材料兼容性的問題。MXene納米片在溶液中容易發(fā)生團聚現(xiàn)象，這會導(dǎo)致其在界面處分布不均勻，無法充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。團聚的MXene納米片會形成局部的高濃度區(qū)域和低濃度區(qū)域，使得界面的電學(xué)性能和光學(xué)性能不均勻，影響電池的整體性能。MXene與鈣鈦礦及其他功能層材料的兼容性也有待提高。由于它們的化學(xué)性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)存在差異，在界面處可能會出現(xiàn)相互作用弱、結(jié)合不緊密等問題，導(dǎo)致界面穩(wěn)定性下降，電荷傳輸效率降低。這些問題限制了MXene在鈣鈦礦太陽能電池中的應(yīng)用效果，阻礙了大規(guī)模生產(chǎn)的實現(xiàn)。5.1.2解決方案探索針對MXene制備工藝復(fù)雜的問題，研究人員在改進制備方法和優(yōu)化工藝參數(shù)方面取得了一定的進展。在制備方法改進上，熔融鹽法作為一種新型的制備方法，展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。該方法利用熔融鹽在高溫下的高離子電導(dǎo)率和良好的溶解性，實現(xiàn)對MAX相前驅(qū)體中A元素的快速刻蝕。西南交通大學(xué)楊維清教授團隊以130°C的NH?HF?熔融鹽為刻蝕劑，在5分鐘內(nèi)就成功實現(xiàn)了Ti?C?TxMXene的高質(zhì)量制備。與傳統(tǒng)的HF溶液刻蝕法相比，熔融鹽法的制備速度提升了1-2個數(shù)量級，且避免了使用腐蝕性酸，降低了安全風(fēng)險和環(huán)境污染。熔融鹽法還具有良好的普適性，通過該方法可以實現(xiàn)多種MXene的超快制備，如V?C?Tx、Nb?C?Tx、Mo?TiC?Tx、Mo?CTx等，為MXene的大規(guī)模制備提供了新的途徑。電化學(xué)刻蝕法也是一種有潛力的改進方法。該方法通過在電解液中施加電場，實現(xiàn)對MAX相材料的選擇性刻蝕。與HF溶液刻蝕法相比，電化學(xué)刻蝕法能夠精確控制刻蝕過程，減少有害化學(xué)試劑的使用。通過調(diào)節(jié)電場強度和刻蝕時間，可以精確控制刻蝕的深度和程度，從而制備出具有特定結(jié)構(gòu)和性能的MXene。這種方法還可以在常溫下進行，降低了能耗和設(shè)備要求，有望實現(xiàn)大規(guī)模制備。在工藝參數(shù)優(yōu)化方面，通過控制刻蝕時間、溫度和刻蝕劑濃度等參數(shù)，可以有效提高MXene的質(zhì)量和產(chǎn)量。在刻蝕時間方面，研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)延長刻蝕時間可以提高A元素的刻蝕程度，從而得到更純凈的MXene。但過長的刻蝕時間會導(dǎo)致MXene的結(jié)構(gòu)受損，影響其性能。因此，需要根據(jù)具體的材料和實驗條件，優(yōu)化刻蝕時間。在溫度方面，提高刻蝕溫度可以加快反應(yīng)速率，但過高的溫度會導(dǎo)致MXene的表面缺陷增加，影響其穩(wěn)定性。通過優(yōu)化刻蝕劑濃度，可以在保證刻蝕效果的同時，減少刻蝕劑的用量，降低成本和環(huán)境污染。5.2材料穩(wěn)定性問題5.2.1穩(wěn)定性影響因素MXene材料的穩(wěn)定性受多種因素影響，這些因素對電池的長期性能有著至關(guān)重要的作用。從環(huán)境因素來看，濕度對MXene的穩(wěn)定性影響顯著。MXene具有親水性，在高濕度環(huán)境下，容易吸附水分，水分會與MXene表面的官能團發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致MXene的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化。水分可能會促使MXene表面的-OH官能團發(fā)生水解反應(yīng)，從而改變表面電荷分布和化學(xué)活性，進而影響其與鈣鈦礦及其他材料的界面穩(wěn)定性。當(dāng)濕度達到80%以上時，MXene在一周內(nèi)就會出現(xiàn)明顯的氧化和結(jié)構(gòu)降解現(xiàn)象，這將嚴(yán)重影響電池的性能。溫度也是影響MXene穩(wěn)定性的重要因素。在高溫環(huán)境下，MXene的結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，其表面官能團可能會發(fā)生脫附或分解，導(dǎo)致材料的化學(xué)穩(wěn)定性下降。高溫還可能引發(fā)MXene與其他材料之間的化學(xué)反應(yīng)，影響電池的界面穩(wěn)定性。當(dāng)溫度升高到100℃以上時，MXene與鈣鈦礦之間的界面結(jié)合力會減弱，導(dǎo)致電荷傳輸效率降低，電池性能下降。光照也會對MXene的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。長時間的光照會使MXene產(chǎn)生光生載流子，這些載流子可能會引發(fā)材料的光化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致MXene的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化。光照還可能導(dǎo)致MXene與鈣鈦礦之間的界面發(fā)生變化，影響電荷傳輸和電池性能。從材料自身特性方面來看，MXene的表面官能團對其穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。不同的表面官能團具有不同的化學(xué)活性，會影響MXene與周圍環(huán)境的相互作用。-F官能團的存在可以提高MXene的化學(xué)穩(wěn)定性，因為-F鍵的鍵能較高，不易發(fā)生反應(yīng)。而-OH官能團則相對較活潑，容易與水、氧氣等發(fā)生反應(yīng)，降低MXene的穩(wěn)定性。MXene的晶體結(jié)構(gòu)和缺陷也會影響其穩(wěn)定性。晶體結(jié)構(gòu)的完整性和缺陷密度會影響材料的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)活性。具有較高缺陷密度的MXene更容易與環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致穩(wěn)定性下降。這些穩(wěn)定性問題會對電池長期性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。穩(wěn)定性問題會導(dǎo)致電池性能衰減，如開路電壓降低、短路電流密度減小、光電轉(zhuǎn)換效率下降等。穩(wěn)定性問題還可能導(dǎo)致電池的壽命縮短，無法滿足實際應(yīng)用的需求。在實際應(yīng)用中，鈣鈦礦太陽能電池需要在不同的環(huán)境條件下長期穩(wěn)定運行，因此解決MXene的穩(wěn)定性問題對于提高電池的長期性能和可靠性至關(guān)重要。5.2.2增強穩(wěn)定性策略為了提高MXene的穩(wěn)定性，研究人員提出了多種策略，其中表面修飾和復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計是兩種重要的方法。表面修飾是一種有效的提高MXene穩(wěn)定性的策略，其原理是通過在MXene表面引入特定的官能團或分子，改變其表面性質(zhì)，從而增強其抗氧化和抗水解能力。氟化修飾是一種常見的表面修飾方法，通過在MXene表面引入氟原子，形成強的M-F鍵（M代表過渡金屬），可以有效提高MXene的化學(xué)穩(wěn)定性。有研究表明，經(jīng)過氟化修飾的MXene在高濕度環(huán)境下的穩(wěn)定性得到了顯著提高。在相對濕度為85%的環(huán)境中，未修飾的MXene在5天內(nèi)就出現(xiàn)了明顯的氧化和結(jié)構(gòu)降解現(xiàn)象，而氟化修飾后的MXene在15天內(nèi)仍能保持相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和性能。這是因為氟原子的引入降低了MXene表面的活性位點，減少了與水分和氧氣的反應(yīng)幾率。硅烷化修飾也是一種有效的表面修飾方法。硅烷化試劑中的硅原子可以與MXene表面的官能團發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的硅-氧鍵，從而在MXene表面形成一層硅烷化保護膜。這種保護膜可以阻擋水分和氧氣的侵蝕，提高MXene的穩(wěn)定性。實驗結(jié)果顯示，經(jīng)過硅烷化修飾的MXene在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性明顯增強。在120℃的高溫下，未修飾的MXene在24小時內(nèi)就發(fā)生了嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)變化，而硅烷化修飾后的MXene在72小時內(nèi)仍能保持較好的結(jié)構(gòu)完整性。復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計是另一種提高MXene穩(wěn)定性的重要策略，其原理是通過將MXene與其他材料復(fù)合，形成協(xié)同效應(yīng)，增強材料的整體穩(wěn)定性。將MXene與金屬氧化物復(fù)合是一種常見的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。金屬氧化物具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和阻隔性能，與MXene復(fù)合后，可以在MXene表面形成一層保護殼，阻擋外界環(huán)境因素對MXene的影響。有研究將TiO?與MXene復(fù)合，制備出了TiO?/MXene復(fù)合材料。在該復(fù)合材料中，TiO?均勻地分布在MXene表面，形成了一層致密的保護殼。實驗結(jié)果表明，TiO?/MXene復(fù)合材料在光照和濕度環(huán)境下的穩(wěn)定性得到了顯著提高。在光照強度為100mW/cm2、相對濕度為70%的條件下，未復(fù)合的MXene在100小時內(nèi)就出現(xiàn)了明顯的性能下降，而TiO?/MXene復(fù)合材料在500小時內(nèi)仍能保持較好的性能。將MXene與聚合物復(fù)合也是一種有效的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。聚合物具有良好的柔韌性和化學(xué)穩(wěn)定性，與MXene復(fù)合后，可以改善MXene的柔韌性和機械性能，同時增強其化學(xué)穩(wěn)定性。有研究將聚偏氟乙烯（PVDF）與MXene復(fù)合，制備出了PVDF/MXene復(fù)合材料。在該復(fù)合材料中，PVDF與MXene通過物理或化學(xué)作用緊密結(jié)合，形成了穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果顯示，PVDF/MXene復(fù)合材料在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性都得到了顯著提高，其在高溫、高濕度和光照等條件下的性能保持率明顯高于未復(fù)合的MXene。5.3成本效益考量5.3.1成本構(gòu)成分析MXene材料和制備工藝成本對電池成本有著重要影響，深入分析其成本構(gòu)成對于評估MXene在鈣鈦礦太陽能電池中的應(yīng)用可行性具有關(guān)鍵意義。從MXene材料成本來看，目前MXene的制備原料主要是MAX相材料，如Ti?AlC?、V?AlC等。這些原料的價格相對較高，且隨著市場需求的變化而波動。以Ti?AlC?為例，其市場價格通常在每千克幾百元到上千元不等，這主要取決于其純度和生產(chǎn)工藝。高純度的Ti?AlC?價格更高，因為其制備過程更為復(fù)雜，需要更高的技術(shù)和成本投入。MXene的制備過程中還需要使用一些化學(xué)試劑，如氫氟酸（HF）等，這些試劑的成本也不容忽視。氫氟酸不僅價格較高，而且具有強腐蝕性和劇毒性，在使用和儲存過程中需要特殊的設(shè)備和安全措施，這進一步增加了成本。除了原料和試劑成本外，MXene的制備過程還涉及到設(shè)備折舊、能源消耗和人工成本等。制備MXene通常需要使用反應(yīng)釜、離心機、干燥設(shè)備等，這些設(shè)備的購置和維護成本較高。在制備過程中，還需要消耗大量的能源，如電力、熱能等，這也會增加生產(chǎn)成本。人工成本也是MXene材料成本的重要組成部分，制備MXene需要專業(yè)的技術(shù)人員進行操作和監(jiān)控，這部分成本隨著人力市場的變化而有所不同。在制備工藝成本方面，不同的制備工藝對成本的影響差異較大。目前，氫氟酸溶液刻蝕法是制備MXene最常用的方法，但該方法存在諸多問題，導(dǎo)致成本較高。如前文所述，氫氟酸的強腐蝕性和劇毒性使得其在使用、儲存和運輸過程中需要特殊的設(shè)備和安全措施，這大大增加了成本。氫氟酸溶液刻蝕法的制備周期較長，通常需要24-72小時才能完成刻蝕反應(yīng)，這不僅降低了生產(chǎn)效率，還增加了設(shè)備的占用時間和能源消耗，從而提高了生產(chǎn)成本。與之相比，熔融鹽法和電化學(xué)刻蝕法等新型制備方法雖然在一定程度上降低了安全風(fēng)險和環(huán)境污染，但這些方法也存在自身的問題。熔融鹽法需要在高溫下進行，這增加了能源消耗和設(shè)備要求，導(dǎo)致成本上升。電化學(xué)刻蝕法雖然能夠精確控制刻蝕過程，但設(shè)備投資較大，且對工藝條件的要求較為嚴(yán)格，也會增加制備成本。將MXene引入鈣鈦礦太陽能電池的界面時，還需要考慮其與電池其他部分的兼容性和集成成本。為了實現(xiàn)MXene與鈣鈦礦及其他功能層材料的良好結(jié)合，可能需要對制備工藝進行優(yōu)化和調(diào)整，這會增加制備工藝的復(fù)雜性和成本。在將MXene引入電池界面的過程中，還可能需要使用一些額外的材料和設(shè)備，如粘合劑、真空設(shè)備等，這些都會增加成本。綜上所述，MXene材料和制備工藝成本較高，對鈣鈦礦太陽能電池的成本產(chǎn)生了較大的影響，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。5.3.2降低成本途徑為了降低MXene在鈣鈦礦太陽能電池中的應(yīng)用成本，可從規(guī)模化生產(chǎn)和材料替代等方面入手，這些途徑具有一定的可行性和潛在效果。規(guī)?；a(chǎn)是降低MXene成本的重要途徑之一。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，MXene的制備成本有望顯著降低。在規(guī)模化生產(chǎn)過程中，原材料的采購成本可以通過批量采購獲得優(yōu)惠。當(dāng)采購量增加時，供應(yīng)商往往會給予一定的價格折扣，從而降低單位原材料的成本。大規(guī)模生產(chǎn)可以提高設(shè)備的利用率，降低設(shè)備折舊成本。例如，在小規(guī)模生產(chǎn)中，設(shè)備可能無法滿負(fù)荷運行，