特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。钙钛矿太阳能电池（PSC）已被证明是一种极具成本效益的光伏技术，有机-无机卤化物钙钛矿 (OIHP) 是PSC 中必不可少的光吸收剂，具有卓越的光物理特性以及与现有商业制造工艺的兼容性。据报道，经认证的单结 PSC功率转换效率 (PCE) 高达 26.1%。由于昼夜循环温度变化及不同器件层之间的热膨胀系数不匹配可能导致界面滑动、层间分层和空隙形成，最终导致 PSC 中的机械故障和材料降解，因此，PSC在承受温度变化的现实条件时关键界面的机械可靠性相对较低。2、手性材料的机械特性有望解决钙钛矿界面稳定性问题手性材料具有有趣的光学和电子特性，天然、机械稳定的生物形态中的手性结构采用螺旋或螺旋构型的形式，并表现出出色的变形耐受性和动态适应性。然而，PSC 的开发很少考虑手性材料的机械特性。有鉴于此，美国国家可再生能源实验室（NREL）朱凯和香港科技大学周圆圆等人报告了钙钛矿吸收剂和电子传输层之间基于R-/S-甲基苄基铵的手性介导的界面，以创建弹性而坚固的异质界面，并提高机械可靠性。该界面利用对映体控制的熵来增强对热循环引起的疲劳和材料降解的耐受性，有机阳离子的异手性排列导致苯环紧密堆积，从而增强化学稳定性和电荷转移。封装的 PSC 在热循环测试（−40°C至 85°C；1200小时内200次循环）下显示出 92% 的功率转换效率，在湿热测试（85%相对湿度；85°C;600h）下显示出 92% 的功率转换效率。段甜伟为本文第一作者，Shuai You、Min Chen为本文共同一作。作者提出了手性中间层的设计标准，并通过使用R-MBAI和S-MBAI形成了同/异手性的界面来化学调控手性钙钛矿夹层的力学性能。作者研究了基于SnO2-OIHP界面的手性结构中间层的机械性能，表明外消旋异质CPI具有最高的强度和弹性模量以及最佳的机械性能。作者分析了ETL-OIHP界面上载流子动力学和化学稳定性，表明CPI在界面处的钝化有助于提高电子特性和化学稳定性。作者制造了基于n-i-p和p-i-n结构的 PSC 器件来评估光伏性能，表明了含有CPI的器件具有优异的光伏性能、良好的重现性和优异的稳定性。1、通过引入手性钙钛矿中间层增强了异质界面力学、化学和光电特性作者利用OIHPs的高可调性来促进手性铵配位，从而引入手性钙钛矿夹层。这种手性中间层增强了PSCs中电子传输层(ETL)-OIHP异质界面的力学、化学和光电性能，并验证了PSCs的耐久性改善。由于具有密集的疏水苯环堆积和强的p-p堆积，异质CPI还具有更良好的化学稳定性和光电性能，使用手性钙钛矿中间层可以提高器件在标准热循环、湿热和连续光浸泡条件下的稳定性。作者提出了手性中间层的设计标准：首先，手性分子应与相邻层形成均匀的界面，以确保加工的再现性；其次，手性分子应含有能够产生范德华力的官能团，从而能够在层间进行适应性结合；第三，手性中间层应减轻界面缺陷，以促进电荷转移并最大限度地减少重组。基于此，通过使用（i）仅基于R-甲基苄基碘化铵（R-MBAI）或S-甲基苄基碘化铵（S-MBAI）的同手性界面和（ii）基于R-MBAI和S-MBAI的等量混合物(R/SMBAI )的异手性的界面来化学调控手性钙钛矿夹层的力学性能。XRD对同质和异质CPI的表征结果表明形成了薄 CPI 层。此外，通过表征 CPI的化学和力学性能结果表明，由于胺对映体具有不同的空间构型，同手性和异手性钙钛矿中的有机双层在无机片层之间的排列方式不同。
然后，作者研究了基于SnO2-OIHP界面的手性结构中间层的机械性能，观察到具有同质和异质CPI的OIHP比原始结构具有更多的完整区域。作者还评估了同质和异质CPI的机械可靠性，并获得了界面机械可靠性增强的统计证据，结果强调了使用手性几何形状来提高机械附着力的作用。使用单轴拉伸测试进一步研究了ETL-OIHP 界面的机械性能，异质CPI表现出最高的弹性模量。此外，界面断裂强度和弹性模量研究表明，对于同质和异质CPI界面的平均强度分别增强了28% 和76%，异质CPI的弹性模量增加了125%。这些结果还表明外消旋异质 CPI 具有最高的强度和弹性模量以及最佳的机械性能，加入薄的 (R/S-MBA)2PbI4层作为中间层会产生更高的弹性模量。
使用光致发光（PL）和时间分辨光致发光（TRPL）来研究不同MBA+堆叠模式对ETL-OIHP界面上载流子动力学的影响。与原始样品相比，异质和同质 CPI的PL强度分别增加了317%和149%。CPI 在OIHP-ETL 界面处的钝化有助于延长 PL 寿命，PL光谱还表明，掺有CPI的SnO2-OIHP 薄膜的光生自由载流子的辐射发射增强。原始SnO2-OIHP 薄膜中的非辐射陷阱态密度最高，而同质和异质 CPI-OIHP 薄膜中的非辐射陷阱态密度相对较低。此外，作者还评估了OIHP表面ETL-CPI 的载流子传输动力学，对于异质 CPI载流子注入更容易。通过器件制造，发现同质和异质CPI上OIHP薄膜的估计电子陷阱密度分别降低了 17% 和 25%。通过跟踪紫外可见吸收光谱的演变评估ETL-OIHP的化学稳定性，证实了同质和异质CPI的稳定性。
作者制造了基于n-i-p和p-i-n结构的 PSC 器件来评估光伏性能，异手性中间层提高了器件的效率，冠军PCE为24.3%，短路电流密度 (JSC)为 25.0 mA cm−2，开路电压(VOC)为1.19 V，填充因子 (FF)为0.817。基于HTL和 OIHP之间CPI的p-i-n PSC器件的在反向扫描中，异质CPI工程的冠军PCE 为 26.0%，JSC为25.9 mA cm−2，VOC为1.18 V，FF为85.4%。p-i-n 器件的参数统计表明器件具有良好的重现性。R/S-MBAI设计的PSC在各种测试条件下均表现出增强的稳定性，异质CPI在湿热条件下也表现出出色的抗疲劳性能。在85°C的85%湿度环境中暴露600小时后，玻璃封装的器件仍保持了其原始性能的 92%。在热循环条件下，基于同质和异质 CPI 的 n-i-p PSC 在 200 次循环后均保留了其原始性能的 80% 以上，再次证明了带有 CPI 的 OIHP 的优势。弯曲力学性能测试表明 (R/SMBA)2PbI4和 (R-MBA)2PbI4 薄膜在 100 次弯曲循环后表现出很强的抗裂性。最后，作者还证明了CPI方法的通用性。
图 基于原始SnO2、同质CPI和异质CPI的PSC的器件性能和稳定性总之，本工作证明了具有动态耐用手性堆积的手性结构钙钛矿中间层增强了 ETL-OIHP异质界面的力学、化学和载流子提取性能。具有手性钙钛矿中间层的高效PSC表现出对热循环、湿热和光浸泡条件的良好耐受性。此外，具有右旋和左旋组分的外消旋混合物的异手性中间层显示出额外的增强作用，其利用了有机分子更高堆积密度、混合熵和弹性模量的优点。具有异质CPI的PSC增强的水分稳定性还得益于强大的面内结合和紧密的疏水性苯环堆积，从而防止水分渗透到OIHP和ETL之间的夹层中。该工作为通过使用具有定制化学、物理和力学性能的手性钙钛矿中间层来设计稳定和高效的异质界面提供了原理证明，以进一步推进PSC和其他光电器件的发展。TianWei Duan, et al. Chiral-structured heterointerfaces enable durable perovskite solar cells. Science, 2024, 384(6698):878-884.DOI: 10.1126/science.ado5172https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado5172#tab-contributors
