从投稿到接收仅两个月！中国小姐姐一作发Science！系同济/上海交大校友

器件异质界面的机械故障和化学降解会强烈影响钙钛矿太阳能电池（PSC）在热循环和湿热条件下的长期稳定性。模仿天然手性结构的强度可提高钙钛矿太阳能电池的机械可靠性。

左：周圆圆      右：朱凯

鉴于此，香港科技大学周圆圆教授与美国国家可再生能源实验室（NREL）朱凯博士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更紧密地堆积，从而增强化学稳定性和电荷转移。封装后的PSC在热循环测试（-40°C至85°C；1200小时内循环200次）和湿热测试（相对湿度85%；85°C；600小时）中的功率转换效率分别达到92%和92%。相关研究成果以题为“Chiral-structured heterointerfaces enable durable perovskite solar cells”发表在最新一期《Science》上。

该篇论文2024年2月6号投稿，2024年4月11号即被接收，从投稿到接收仅两月！段甜伟（同济大学本硕、上海交通大学博士，师从车顺爱教授）为本文第一作者，华中科技大学校友Shuai You、Min Chen为本文共同一作。

【策略设计】

该研究的战略设计重点是使用手性碘化铵分子，特别是R-/S-甲基苄基碘化铵(MBAI)，在钙钛矿吸收层和电子传输层(ETL)之间创建持久的界面。这些手性分子的选择至关重要，因为它们能够形成增强机械强度和化学稳定性的螺旋结构。具体是将手性碘化铵掺入氧化锡(SnO2)ETL中，并将其与钙钛矿吸收层中过量的碘化铅(PbI2)配对。这个过程导致了手性钙钛矿夹层的形成。对于倒p-i-n结构，将R-或S-MBAI旋涂在钙钛矿层顶部，然后进行退火诱导的相互扩散反应以创建手性钙钛矿界面（CPI）。

【手性钙钛矿界面形成】

作者通过使用同手性（R-MBAI 或 S-MBAI）和异手性（R/S-MBAI）构型实现了手性钙钛矿界面的形成。该研究通过 X 射线衍射 (XRD) 测量证实了这些界面的形成，该测量显示了表明二维手性钙钛矿相的特征衍射峰。结构分析揭示了同手性钙钛矿中明显的螺旋堆积以及异手性钙钛矿中的组合左手和右手螺旋结构（图1）。

图1.同手性和异手性界面修饰示意图

【界面机械性能】

作者使用粘附测试、分层性和单轴拉伸测试评估手性界面的机械性能。粘附力测试结果表明，与原始SnO2和PEAI改性界面相比，同手性(homo-CPI)和异手性(hetero-CPI)钙钛矿界面的粘附力均显着提高。这些结果表明，手性界面，特别是异手性界面，可显着增强粘附力和机械可靠性。力学性能分析揭示了几个关键点：弹性变形：异质CPI和原始界面在整个拉伸过程中主要经历弹性变形。相比之下，homo-CPI和PEAI界面在较低应变下表现出不可逆的塑性变形。界面弹性：Homo-CPI的作用就像分子弹簧，增强界面弹性，但更容易发生弹性变形。与异质CPI相比，这导致杨氏模量更低，异质CPI由于密集苯环中的强π-π相互作用而将机械弹性与强大的弹性恢复结合在一起。异手性钙钛矿界面增强的机械性能显着提高了PSC的耐用性和可靠性。异质CPI界面强大的机械粘合力和高弹性模量有助于更好地抵抗热循环和环境应力下的机械故障，例如界面滑动、分层和空隙形成。

图2.ETL-OIHP界面的力学特性

【光致发光研究和化学稳定性】

光致发光（PL）和时间分辨光致发光（TRPL）研究强调了手性界面增强的光电特性。具有手性界面的样品的PL强度和衰变寿命显着提高，表明非辐射复合减少和陷阱态更好的钝化。异手性界面具有更紧密的苯环堆积，进一步促进了电荷转移，增强了载流子动力学（图3）。通过跟踪在环境条件下储存的PSC的紫外-可见吸收光谱来评估化学稳定性。与原始界面相比，手性界面，尤其是异手性界面，表现出显着的抗降解性。XRD分析证实了降解速率较慢，证明了手性中间层在增强化学稳定性方面的功效。

图3.ETL-OIHP界面的电子特性和化学稳定性

【器件性能和稳定性测试】

所制造的PSC，无论是n-i-p还是p-i-n结构，都通过手性界面表现出增强的光伏性能。对于具有异手性界面的p-i-n结构，冠军器件实现了高达26.0%的功率转换效率(PCE)。这些器件在光浸泡、热循环和湿热条件下的稳定性进一步凸显了手性界面工程的优势。光浸泡和热循环条件下的扩展稳定性测试表明，与具有原始或同手性界面的PSC相比，具有异手性界面的PSC保持了更高百分比的初始性能。稳定性的增强归因于手性界面带来的机械和化学性能的改善。

图4.基于原始SnO2、同质CPI和异质CPI的PSC的器件性能和稳定性

【总结】

本文已经证明，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异质界面的机械、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，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。这些异手性发现有可能在将稳定性评估从细胞水平转化为模块水平方面发挥关键作用，这标志着该领域现有研究的自然进展。该工作为通过使用具有定制化学、物理和机械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。

来源：高分子科学前沿，爱科会易仅用于学术交流