特別說明：本文由米測技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。鈣鈦礦太陽能電池（PSC）已被證明是一種極具成本效益的光伏技術(shù)，有機-無機鹵化物鈣鈦礦 (OIHP) 是PSC 中必不可少的光吸收劑，具有卓越的光物理特性以及與現(xiàn)有商業(yè)制造工藝的兼容性。據(jù)報道，經(jīng)認證的單結(jié) PSC功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 高達 26.1%。然而，鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性仍存在以下問題：1、PSC在溫度變化時關(guān)鍵界面機械可靠性相對較低由于晝夜循環(huán)溫度變化及不同器件層之間的熱膨脹系數(shù)不匹配可能導致界面滑動、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，因此，PSC在承受溫度變化的現(xiàn)實條件時關(guān)鍵界面的機械可靠性相對較低。2、手性材料的機械特性有望解決鈣鈦礦界面穩(wěn)定性問題手性材料具有有趣的光學和電子特性，天然、機械穩(wěn)定的生物形態(tài)中的手性結(jié)構(gòu)采用螺旋或螺旋構(gòu)型的形式，并表現(xiàn)出出色的變形耐受性和動態(tài)適應性。然而，PSC 的開發(fā)很少考慮手性材料的機械特性。有鑒于此，美國國家可再生能源實驗室（NREL）朱凱和香港科技大學周圓圓等人報告了鈣鈦礦吸收劑和電子傳輸層之間基于R-/S-甲基芐基銨的手性介導的界面，以創(chuàng)建彈性而堅固的異質(zhì)界面，并提高機械可靠性。該界面利用對映體控制的熵來增強對熱循環(huán)引起的疲勞和材料降解的耐受性，有機陽離子的異手性排列導致苯環(huán)緊密堆積，從而增強化學穩(wěn)定性和電荷轉(zhuǎn)移。封裝的 PSC 在熱循環(huán)測試（?40°C至 85°C；1200小時內(nèi)200次循環(huán)）下顯示出 92% 的功率轉(zhuǎn)換效率，在濕熱測試（85%相對濕度；85°C;600h）下顯示出 92% 的功率轉(zhuǎn)換效率。段甜偉為本文第一作者，Shuai You、Min Chen為本文共同一作。作者提出了手性中間層的設計標準，并通過使用R-MBAI和S-MBAI形成了同/異手性的界面來化學調(diào)控手性鈣鈦礦夾層的力學性能。作者研究了基于SnO2-OIHP界面的手性結(jié)構(gòu)中間層的機械性能，表明外消旋異質(zhì)CPI具有最高的強度和彈性模量以及最佳的機械性能。作者分析了ETL-OIHP界面上載流子動力學和化學穩(wěn)定性，表明CPI在界面處的鈍化有助于提高電子特性和化學穩(wěn)定性。作者制造了基于n-i-p和p-i-n結(jié)構(gòu)的 PSC 器件來評估光伏性能，表明了含有CPI的器件具有優(yōu)異的光伏性能、良好的重現(xiàn)性和優(yōu)異的穩(wěn)定性。1、通過引入手性鈣鈦礦中間層增強了異質(zhì)界面力學、化學和光電特性作者利用OIHPs的高可調(diào)性來促進手性銨配位，從而引入手性鈣鈦礦夾層。這種手性中間層增強了PSCs中電子傳輸層(ETL)-OIHP異質(zhì)界面的力學、化學和光電性能，并驗證了PSCs的耐久性改善。2、證明了使用手性鈣鈦礦中間層可以提高器件穩(wěn)定性由于具有密集的疏水苯環(huán)堆積和強的p-p堆積，異質(zhì)CPI還具有更良好的化學穩(wěn)定性和光電性能，使用手性鈣鈦礦中間層可以提高器件在標準熱循環(huán)、濕熱和連續(xù)光浸泡條件下的穩(wěn)定性。作者提出了手性中間層的設計標準：首先，手性分子應與相鄰層形成均勻的界面，以確保加工的再現(xiàn)性；其次，手性分子應含有能夠產(chǎn)生范德華力的官能團，從而能夠在層間進行適應性結(jié)合；第三，手性中間層應減輕界面缺陷，以促進電荷轉(zhuǎn)移并最大限度地減少重組。基于此，通過使用（i）僅基于R-甲基芐基碘化銨（R-MBAI）或S-甲基芐基碘化銨（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 )的異手性的界面來化學調(diào)控手性鈣鈦礦夾層的力學性能。XRD對同質(zhì)和異質(zhì)CPI的表征結(jié)果表明形成了薄 CPI 層。此外，通過表征 CPI的化學和力學性能結(jié)果表明，由于胺對映體具有不同的空間構(gòu)型，同手性和異手性鈣鈦礦中的有機雙層在無機片層之間的排列方式不同。
然后，作者研究了基于SnO2-OIHP界面的手性結(jié)構(gòu)中間層的機械性能，觀察到具有同質(zhì)和異質(zhì)CPI的OIHP比原始結(jié)構(gòu)具有更多的完整區(qū)域。作者還評估了同質(zhì)和異質(zhì)CPI的機械可靠性，并獲得了界面機械可靠性增強的統(tǒng)計證據(jù)，結(jié)果強調(diào)了使用手性幾何形狀來提高機械附著力的作用。使用單軸拉伸測試進一步研究了ETL-OIHP 界面的機械性能，異質(zhì)CPI表現(xiàn)出最高的彈性模量。此外，界面斷裂強度和彈性模量研究表明，對于同質(zhì)和異質(zhì)CPI界面的平均強度分別增強了28% 和76%，異質(zhì)CPI的彈性模量增加了125%。這些結(jié)果還表明外消旋異質(zhì) CPI 具有最高的強度和彈性模量以及最佳的機械性能，加入薄的 (R/S-MBA)2PbI4層作為中間層會產(chǎn)生更高的彈性模量。
使用光致發(fā)光（PL）和時間分辨光致發(fā)光（TRPL）來研究不同MBA+堆疊模式對ETL-OIHP界面上載流子動力學的影響。與原始樣品相比，異質(zhì)和同質(zhì) CPI的PL強度分別增加了317%和149%。CPI 在OIHP-ETL 界面處的鈍化有助于延長 PL 壽命，PL光譜還表明，摻有CPI的SnO2-OIHP 薄膜的光生自由載流子的輻射發(fā)射增強。原始SnO2-OIHP 薄膜中的非輻射陷阱態(tài)密度最高，而同質(zhì)和異質(zhì) CPI-OIHP 薄膜中的非輻射陷阱態(tài)密度相對較低。此外，作者還評估了OIHP表面ETL-CPI 的載流子傳輸動力學，對于異質(zhì) CPI載流子注入更容易。通過器件制造，發(fā)現(xiàn)同質(zhì)和異質(zhì)CPI上OIHP薄膜的估計電子陷阱密度分別降低了 17% 和 25%。通過跟蹤紫外可見吸收光譜的演變評估ETL-OIHP的化學穩(wěn)定性，證實了同質(zhì)和異質(zhì)CPI的穩(wěn)定性。
圖 ETL-OIHP界面的電子特性和化學穩(wěn)定性作者制造了基于n-i-p和p-i-n結(jié)構(gòu)的 PSC 器件來評估光伏性能，異手性中間層提高了器件的效率，冠軍PCE為24.3%，短路電流密度 (JSC)為 25.0 mA cm?2，開路電壓(VOC)為1.19 V，填充因子 (FF)為0.817。基于HTL和 OIHP之間CPI的p-i-n PSC器件的在反向掃描中，異質(zhì)CPI工程的冠軍PCE 為 26.0%，JSC為25.9 mA cm?2，VOC為1.18 V，F(xiàn)F為85.4%。p-i-n 器件的參數(shù)統(tǒng)計表明器件具有良好的重現(xiàn)性。R/S-MBAI設計的PSC在各種測試條件下均表現(xiàn)出增強的穩(wěn)定性，異質(zhì)CPI在濕熱條件下也表現(xiàn)出出色的抗疲勞性能。在85°C的85%濕度環(huán)境中暴露600小時后，玻璃封裝的器件仍保持了其原始性能的 92%。在熱循環(huán)條件下，基于同質(zhì)和異質(zhì) CPI 的 n-i-p PSC 在 200 次循環(huán)后均保留了其原始性能的 80% 以上，再次證明了帶有 CPI 的 OIHP 的優(yōu)勢。彎曲力學性能測試表明 (R/SMBA)2PbI4和 (R-MBA)2PbI4 薄膜在 100 次彎曲循環(huán)后表現(xiàn)出很強的抗裂性。最后，作者還證明了CPI方法的通用性。
圖 基于原始SnO2、同質(zhì)CPI和異質(zhì)CPI的PSC的器件性能和穩(wěn)定性總之，本工作證明了具有動態(tài)耐用手性堆積的手性結(jié)構(gòu)鈣鈦礦中間層增強了 ETL-OIHP異質(zhì)界面的力學、化學和載流子提取性能。具有手性鈣鈦礦中間層的高效PSC表現(xiàn)出對熱循環(huán)、濕熱和光浸泡條件的良好耐受性。此外，具有右旋和左旋組分的外消旋混合物的異手性中間層顯示出額外的增強作用，其利用了有機分子更高堆積密度、混合熵和彈性模量的優(yōu)點。具有異質(zhì)CPI的PSC增強的水分穩(wěn)定性還得益于強大的面內(nèi)結(jié)合和緊密的疏水性苯環(huán)堆積，從而防止水分滲透到OIHP和ETL之間的夾層中。該工作為通過使用具有定制化學、物理和力學性能的手性鈣鈦礦中間層來設計穩(wěn)定和高效的異質(zhì)界面提供了原理證明，以進一步推進PSC和其他光電器件的發(fā)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
