Small Methods: 剪切力辅助液相剥离二维黑磷纳米片用于低温钙钛矿太阳能电池

二维黑磷(也称为磷烯)是继石墨烯之后一种新型二维半导体材料,自2014年发现以来,吸引了巨大的研究兴趣。二维黑磷具有范围可调的直接带隙(0.3~2.0 eV),较高的载流子迁移率(103 cm2/V•s)以及各向异性等特点,在晶体管、传感器、太阳能电池等领域具有重要的应用前景。与石墨烯类似,二维黑磷最初也是通过机械剥离法制得。这种方法实验条件简单,获得的黑磷晶体质量高,但是此法耗时且产量低,制备出的晶体尺寸不易控制,难以大批量可控制备。相较于机械剥离,液相剥离法可以在溶液中大批量制备二维黑磷。液相剥离主要通过探头超声、水浴超声等方式提供能量将块体黑磷剥离出二维晶体。当溶剂与黑磷之间的粘性大于溶液的内聚能时,剥离较为容易。通常使用较多的剥离溶剂是异丙醇(IPA)与N-甲基吡咯烷酮(NMP)。但是,通常所用溶剂是高沸点溶剂,与许多应用场合不相容。 因此,开发低成本,简便有效且能可控黑磷层数的制备方法仍是研究重点。

近日,澳大利亚昆士兰大学的Shapter与合作者开发了一种简单且快速的“自上而下”方案,即在近红外脉冲激光照射下使用涡流装置液相剥离制备少层黑磷纳米片。这种新型的剪切剥离方法制备时间短,获得的黑磷纳米片结晶度高,且具有原子层厚度(4.3±0.4 nm)。研究者将制备的黑磷纳米片添加到低温制备的氧化钛中,作为电子传输层,制备了低温加工的平板钙钛矿太阳能电池。研究发现,添加二维黑磷纳米片,电池的平均光电功率转换效率从14.32%提升到了16.53%(最高效率达到了17.85%)。实验和理论计算结果表明,电池转换效率的提高是由于黑磷纳米片的高载流子迁移率,以及与钙钛矿层相匹配的能级位置,能够高效的提取和传输电子。这项工作不仅提供了一种制备二维黑磷的新颖的高效合成方法,而且开辟了黑磷在光伏器件中的应用新途径。

相关文章发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201800521)上。