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模擬天然手性結構的強度，有利于提高鈣鈦礦太陽能電池的機械可靠性。

在此，香港浸會大學段甜偉博士（第一作者），美國國家可再生能源實驗室朱凱研究員和香港科技大學周圓圓教授等人（通訊作者）解決了具有不同熱膨脹特性的層之間界面的機械可靠性相對較低的問題。具體來說，作者在鈣鈦礦吸收層和電子傳輸層之間插入了基于R-/S-甲基芐基銨的手性結構中間層，以形成強而有彈性的異質界面。結果顯示，封裝太陽能電池能夠在-40至85°C溫度范圍內循環200次，持續1200小時后，其功率轉換效率仍保持在92%左右，即26%。

相關文章以“Chiral-structured heterointerfaces enable durable perovskite solar cells”為題發表在Science上。據悉，段甜偉博士2021年博士畢業于上海交通大學車順愛教授課題組，現為香港浸會大學博士后。本文2024年2月6日投稿，4月11日接收，僅歷時兩個月，本文也得到了審稿人的一致好評！

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）已被證明是一種具成本效益的光伏技術，展現出令人印象深刻的性能。其中，有機-無機鹵化物鈣鈦礦（OIHP）是PSCs中必不可少的光吸收劑，具有出色的光物理特性，且與已建立的商業化制造工藝相兼容。據報道，單結PSCs的認證功率轉換效率（PCEs）高達26.1%。然而，PSC在承受受溫度變化影響的實際條件方面面臨的一個重要挑戰是，其關鍵界面的機械可靠性相對較低，尤其是兩層具有不同熱膨脹系數的界面。例如，與晝夜循環相關的溫度變化以及不同器件層之間的熱膨脹不匹配系數可導致界面滑動、層間分層和空隙形成，最終導致PSC中的機械故障和材料降解，且但專門針對PSC中的界面故障的報道數量有限。?

通常情況下，減輕熱循環疲勞的策略包括探索熱穩定材料、減輕界面應力和改進封裝方法等。盡管這些策略有助于提高材料的熱穩定性，但還需要付出更多的努力來解決與異質界面機械可靠性相關的關鍵挑戰。傳統上，在解決界面問題時，界面鈍化已被用于加強電荷傳輸層和OIHP之間的相互作用。界面上的有機分子還可以作為抵御環境因素的屏障，以提高化學穩定性。然而，界面鈍化對PSCs機械穩定性的影響尚不清楚。

圖1.同手性和異手性界面修飾的示意圖。

據了解，手性材料具有有趣的光學和電子特性。因此，大多數手性鈣鈦礦的研究都集中在光電子學和自旋電子學中的應用。此外，自然、機械穩定的生物形態中的手性結構采用螺旋或螺旋結構的形式，并表現出出色的變形耐受性和動態適應性。手性材料的突出機械性能與其亞基的螺旋堆積有關，但在PSCs開發中很少考慮手性材料的力學特性。

本文利用OIHPs的高可調性來促進手性銨配位，從而引入手性鈣鈦礦夾層。這種手性夾層增強了PSC中電子傳遞層（ETL）-OIHP 異質界面的機械、化學和光電特性。同時，控制手性微觀結構中的對映異構體組分可以進一步增強機械性能，例如外消旋、異手性鈣鈦礦界面（hetero-CPI）與同手性鈣鈦礦界面（homo-CPI）相比具有更強的界面粘附力。

圖2. ETL-OIHP界面的力學性能。

隨后，作者研究了基于n-i-p結構鈣鈦礦太陽能電池中常用的SnO₂-OIHP界面的手性結構中間層的力學性質，根據薄膜粘附試驗評價了OIHPs。如圖2A所示，機械試驗的樣品制備為對稱夾層結構。在樹脂上旋轉涂上一層薄薄的聚甲基丙烯酸甲酯，以保護鈣鈦礦免受化學腐蝕和環氧膠的表面應變。一般來說，觀察到具有同和異CPI的OIHP比原始結構有更多完整的區域（圖2A）。

為了更全面地了解這三種材料的界面力學性能，作者對每個樣品的界面斷裂強度和彈性模量進行了研究。原始ETL-OIHP界面的平均強度對homo-CPI和hetero-CPI的平均強度分別提高了28和76%，而對PEAI界面的平均強度降低了20%（圖2C）。作者認為，homo-CPI的作用類似于分子彈簧，增強了界面彈性，但更容易受到彈性變形的影響，從而導致楊氏模量變小。相比之下，在對映異構體之間形成的hetero-CPI與π鍵的手性相反，表現出改進的楊氏模量，同時保持了出色的彈性恢復。因此，與homo-CPI相比，hetero-CPI在相同應力下減小了彈性變形。

圖3：ETL-OIHP界面的電子性質和化學穩定性。

實驗表明，使用手性鈣鈦礦夾層可以提高器件在標準熱循環、濕熱和連續光浸泡條件下的穩定性，這些條件是由改進的機械、化學和光電特性引起的。由甲酰胺基碘化物組成的器件(FAPbI₃)_0.95(MAPbBr₃)_0.05，其中FA和MA分別指甲酰胺和甲基銨，基于異手性夾層的0.06cm²照明面積的n-i-p和p-i-n鈣鈦礦太陽能電池顯示出創紀的24.3%和26.0%，本研究證明了手性化學在進一步提高光電子學的耐用性方面的潛力！

圖4：基于原始SnO₂、同CPI和異CPI的鈣鈦礦太陽能電池的器件性能和穩定性。

綜上所述，作者表明手性結構的鈣鈦礦夾層具有動態持久的手性填充，增強了異質界面的機械、化學和載體提取性能。具有手性鈣鈦礦夾層的高效鈣鈦礦太陽能電池對熱循環、濕熱和光浸泡條件具有良好的耐受性。此外，具有右消旋和左消旋混合物的異手性夾層顯示出額外的增強，這利用了有機分子更高的堆積密度、混合熵和彈性模量的優點。本文的工作為設計穩定和高效的異質界面提供了一個原理證明，可以利用手性鈣鈦礦夾層進一步推進鈣鈦礦太陽能電池和其他光電器件的發展！

Tianwei Duan?, Shuai You?, Min Chen?, Wenjian Yu, Yanyan Li, Peijun Guo, Joseph J. Berry, Joseph M. Luther, Kai Zhu*, Yuanyuan Zhou*, Chiral-structured heterointerfaces enable durable perovskite solar cells. (2024).

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