她，上交博士毕业，投稿到接受仅两个月，今日一作重磅Science！

模拟天然手性结构的强度，有利于提高钙钛矿太阳能电池的机械可靠性。

在此，香港浸会大学段甜伟博士（第一作者），美国国家可再生能源实验室朱凯研究员和香港科技大学周圆圆教授等人（通讯作者）解决了具有不同热膨胀特性的层之间界面的机械可靠性相对较低的问题。具体来说，作者在钙钛矿吸收层和电子传输层之间插入了基于R-/S-甲基苄基铵的手性结构中间层，以形成强而有弹性的异质界面。结果显示，封装太阳能电池能够在-40至85°C温度范围内循环200次，持续1200小时后，其功率转换效率仍保持在92%左右，即26%。

相关文章以“Chiral-structured heterointerfaces enable durable perovskite solar cells”为题发表在Science上。据悉，段甜伟博士2021年博士毕业于上海交通大学车顺爱教授课题组，现为香港浸会大学博士后。本文2024年2月6日投稿，4月11日接收，仅历时两个月，本文也得到了审稿人的一致好评！

钙钛矿太阳能电池（PSCs）已被证明是一种具成本效益的光伏技术，展现出令人印象深刻的性能。其中，有机-无机卤化物钙钛矿（OIHP）是PSCs中必不可少的光吸收剂，具有出色的光物理特性，且与已建立的商业化制造工艺相兼容。据报道，单结PSCs的认证功率转换效率（PCEs）高达26.1%。然而，PSC在承受受温度变化影响的实际条件方面面临的一个重要挑战是，其关键界面的机械可靠性相对较低，尤其是两层具有不同热膨胀系数的界面。例如，与昼夜循环相关的温度变化以及不同器件层之间的热膨胀不匹配系数可导致界面滑动、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，且但专门针对PSC中的界面故障的报道数量有限。

通常情况下，减轻热循环疲劳的策略包括探索热稳定材料、减轻界面应力和改进封装方法等。尽管这些策略有助于提高材料的热稳定性，但还需要付出更多的努力来解决与异质界面机械可靠性相关的关键挑战。传统上，在解决界面问题时，界面钝化已被用于加强电荷传输层和OIHP之间的相互作用。界面上的有机分子还可以作为抵御环境因素的屏障，以提高化学稳定性。然而，界面钝化对PSCs机械稳定性的影响尚不清楚。

图1.同手性和异手性界面修饰的示意图。

据了解，手性材料具有有趣的光学和电子特性。因此，大多数手性钙钛矿的研究都集中在光电子学和自旋电子学中的应用。此外，自然、机械稳定的生物形态中的手性结构采用螺旋或螺旋结构的形式，并表现出出色的变形耐受性和动态适应性。手性材料的突出机械性能与其亚基的螺旋堆积有关，但在PSCs开发中很少考虑手性材料的力学特性。

本文利用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。这种手性夹层增强了PSC中电子传递层（ETL）-OIHP 异质界面的机械、化学和光电特性。同时，控制手性微观结构中的对映异构体组分可以进一步增强机械性能，例如外消旋、异手性钙钛矿界面（hetero-CPI）与同手性钙钛矿界面（homo-CPI）相比具有更强的界面粘附力。

图2. ETL-OIHP界面的力学性能。

随后，作者研究了基于n-i-p结构钙钛矿太阳能电池中常用的SnO₂-OIHP界面的手性结构中间层的力学性质，根据薄膜粘附试验评价了OIHPs。如图2A所示，机械试验的样品制备为对称夹层结构。在树脂上旋转涂上一层薄薄的聚甲基丙烯酸甲酯，以保护钙钛矿免受化学腐蚀和环氧胶的表面应变。一般来说，观察到具有同和异CPI的OIHP比原始结构有更多完整的区域（图2A）。

为了更全面地了解这三种材料的界面力学性能，作者对每个样品的界面断裂强度和弹性模量进行了研究。原始ETL-OIHP界面的平均强度对homo-CPI和hetero-CPI的平均强度分别提高了28和76%，而对PEAI界面的平均强度降低了20%（图2C）。作者认为，homo-CPI的作用类似于分子弹簧，增强了界面弹性，但更容易受到弹性变形的影响，从而导致杨氏模量变小。相比之下，在对映异构体之间形成的hetero-CPI与π键的手性相反，表现出改进的杨氏模量，同时保持了出色的弹性恢复。因此，与homo-CPI相比，hetero-CPI在相同应力下减小了弹性变形。

图3：ETL-OIHP界面的电子性质和化学稳定性。

实验表明，使用手性钙钛矿夹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，这些条件是由改进的机械、化学和光电特性引起的。由甲酰胺基碘化物组成的器件(FAPbI₃)_0.95(MAPbBr₃)_0.05，其中FA和MA分别指甲酰胺和甲基铵，基于异手性夹层的0.06cm²照明面积的n-i-p和p-i-n钙钛矿太阳能电池显示出创纪的24.3%和26.0%，本研究证明了手性化学在进一步提高光电子学的耐用性方面的潜力！

图4：基于原始SnO₂、同CPI和异CPI的钙钛矿太阳能电池的器件性能和稳定性。

综上所述，作者表明手性结构的钙钛矿夹层具有动态持久的手性填充，增强了异质界面的机械、化学和载体提取性能。具有手性钙钛矿夹层的高效钙钛矿太阳能电池对热循环、湿热和光浸泡条件具有良好的耐受性。此外，具有右消旋和左消旋混合物的异手性夹层显示出额外的增强，这利用了有机分子更高的堆积密度、混合熵和弹性模量的优点。本文的工作为设计稳定和高效的异质界面提供了一个原理证明，可以利用手性钙钛矿夹层进一步推进钙钛矿太阳能电池和其他光电器件的发展！

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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她，上交博士毕业，投稿到接受仅两个月，今日一作重磅Science！

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