Mxene在复杂表面上的规模化沉积—作为硅异质结太阳电池

研究背景

光伏(PV)行业目前由基于晶体硅(c-Si)的太阳能电池主导，占据了超过95%的市场份额。其中，硅异质结(SHJ)表现出优异特性，在双边接触布局中的功率转换效率(PCE值)超过25%。SHJ太阳能电池依赖于用作钝化接触的本征和掺杂氢化非晶硅(a-Si：H)的堆栈。单面SHJ太阳能电池可以利用全区金属化，通常是在器件的后侧，通常是200 300 nm厚的溅射银(Ag)薄膜，沉积在透明导电氧化物(TCO)上。通过这种设计，可以使用导电性较低的TCO(因此可以使用更高的透明度TCO)，这可以增强器件中对长波长光子的光捕获，同时保证高填充因子(Ff)的有效电荷收集。到目前为止，c-硅太阳能电池行业已经做出了一些努力，通过利用不同的印刷图案、串接方案或器件叠片，或通过实施替代金属化材料。然而，这些替代电极的大规模部署遇到了几个障碍，包括低产量和产量、成本/处理复杂性以及潜在的大量金属污染废物。因此，寻找高丰度、易加工和低毒性的高导电性和低成本的非经典金属电极至关重要。在这种情况下，二维(2D)层状材料，例如石墨烯，由于其高导电性、易于加工、相对较低的成本和长期稳定性，最近已经成为流行的经典金属电极(银、铜、铝等)的一种有吸引力的替代品。

因此，阿卜杜拉国王科技大学在国际期刊《ACS NANO》（IF=18.027）上以 “Scaled Deposition of Ti3C2Tx MXene on Complex Surfaces: Application Assessment as Rear Electrodes for Silicon Heterojunction Solar Cells”为题发表研究性论文。

研究内容

二维过渡金属碳化物(MXenes)由于具有可调谐的光电性质、高的金属导电性和良好的溶液可加工性，在包括太阳能电池在内的各种应用中作为电极材料引起了极大的兴趣。然而，到目前为止，MXene电极仅被用于实验室规模的设备应用。在这里，为了展示MXene电极在行业相关水平上的潜力，作者实施了一种可扩展的喷涂技术，通过自动喷涂系统沉积高导电性(约8000S/cm，厚度约55 nm)Ti3C2Tx薄膜(TX：表面官能团，即 OH、 O、 F)。作为概念验证，作者将这些Ti3C2Tx薄膜用作硅异质结太阳电池的背电极。喷雾沉积的MXene薄片在ITO涂层的随机金字塔织构硅片上形成了保形涂层，导致在中型(4.2平方厘米)和大型(243平方厘米)上的功率转换效率(PCE)>20%，即工业尺寸的6英寸。伪方晶片)单元区。值得注意的是，Ti3C2Tx后置接触式设备在超过600天的环境空气存储中保持了约99%的初始PCE。它们的性能可以与用溅射银电极接触的最先进的太阳能电池相媲美。我们的研究结果表明，除了更广泛的电子设备应用外，喷涂层MXene电极还具有用于太阳能电池的高通量潜力。

研究结果

图 1. (a) Ti3C2Tx 单层示意图，其中 Tx 表示表面末端官能团 (-O,- OH,-F)。(b) Ti3AlC2 MAX（上）和 Ti3C2Tx MXene（下）的 XRD 光谱。（c 和 d）分别为 Ti 2p 和 C 1s 核心能级的高分辨率 XPS 光谱。（e）Ti3C2Tx 占据（UPS，黑色）和未占据（IPES，红色）光谱中费米能级（Ef）的态密度（DOS）。插图：UPS 二次电子截止 (SECO) 光谱以及 Ti3C2Tx 的外推功函数（即 4.6 eV）。（f 和 g）ca 的光学常数（n，k）和复介电常数（ε1，ε2）。分别为 57 纳米厚的 Ti3C2Tx 喷涂薄膜。阴影区域表示 Ti3C2Tx 的特征等离子体吸收的开始。

图 2. 大规模沉积 Ti3C2Tx 薄片作为 SHJ 太阳能电池背电极的自动喷涂装置示意图。插图：（左下）对应的 SHJ 太阳能电池的逐层结构。（右下）Ti3C2Txflakes 的倾斜俯视 SEM 显微照片，覆盖了 SHJ 太阳能电池的 ITO 涂层金字塔纹理表面。

图 3. (a) Ti3C2Tx 接触 SHJ 太阳能电池的背面（面积为 4.2 cm2）。插图：喷涂 Ti3C2Tx 前 SHJ 装置的后侧。(b) 喷涂在 SHJ 电池纹理界面上的 Ti3C2Tx薄片的俯视二次电子 (SE) SEM 显微照片和 (c) 显示 Ti（橙色）、C（红色）、O（绿色）均匀性的相应 EDS 元素图) 和 F（蓝色）穿过纹理表面。（d 和 e）57 nm 厚的喷涂 Ti3C2Tx 后触点的横截面 SEM 显微照片，显示了 MXene 薄片在 SHJ 电池的纹理表面上的均匀表面覆盖。

图 4. (a) SHJ 太阳能电池（面积为 4.2 cm2）的 J-V 特性与不同的背面电极堆叠：仅 ITO（蓝色，100 nm）、ITO/Ag（灰色，100/250 nm）和 ITO/ Ti3C2Tx（红色，100/200 nm）。(b) 对应的 EQE 和 1-R 光谱。(c) 在制造时（红色）和 609 天后（绿色）测量的效率为 19.8% 的 Ti3C2Tx 接触 SHJ 电池的 J-V 特性，几乎没有退化。插图：PL 图像表明在喷涂 MXene 时轻敲电池正面后没有降解。（d-g）所有测试的 SHJ 太阳能电池的器件特性（JSC、VOC、FF 和 PCE）的统计摘要。

图 5. (a) 大面积（6 英寸）SHJ 太阳能电池背面（左侧和中间）分别喷涂（140 次循环）Ti3C2TxMXene（200 nm 厚）前后的照片）。SHJ 细胞与一个 30 厘米长的标尺并列，作为参考标尺。(b) Ti3C2Tx 接触 SHJ 太阳能电池的 J-V 特性（面积 243 cm2）。(c) (b) 中同一太阳能电池的相应 EQE 和 1-R 光谱。

文章链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c08871

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