這個界面耐寒且耐熱！最新Science：手性界面助力鈣鈦礦電池

一、【科學背景】

歷經十幾年發展，鈦礦太陽能電池（PSCs）作為一種具有成本效益的光伏技術，在科研領域和實際應用中都展現出廣闊的發展前景！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，展現出出色的光物理特性，并與已有的商業化制造工藝兼容。據已報道的數據顯示，單結PSCs的認證功率轉換效率（PCE）已經高達26.1%，但PSCs易受環境溫度變化的影響，這會導致電池界面的機械穩定性下降，尤其是界面處熱膨脹系數不同帶來的挑戰。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。然而，近年來鮮有關于PSC中的界面失效的報道。?據悉，有機分子可以作為抵御環境因素的屏障，提高化學穩定性，但界面鈍化對PSCs機械穩定性的影響尚不清楚。

二、【科學貢獻】

基于此，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在Science發表了題為“Chiral-structured heterointerfaces enable durable perovskite solar cells”的論文，研究人員利用有機-無機鹵化物鈣鈦礦（OIHP）的高度可調性來促進手性銨配位，從而將化學中常用的手性概念用于鈣鈦礦夾層中。得益于其獨特的化學性質，手性夾層增強了PSCs中電子傳遞層 （ETL）-OIHP 異質界面的機械、化學和光電特性。本文設計的界面主要利用對映體控制的熵，來增強對熱循環引起的疲勞和材料降解的耐受性，其中有機陽離子的異手性排列有助于苯環的堆積更緊密，從而提高了化學穩定性和電荷轉移。

圖1、同手性和異手性界面修飾的示意圖?? 2024 AAAS

圖2、ETL-OIHP異質界面的力學性能? 2024 AAAS

圖3、ETL-OIHP異質界面的電子傳輸性質和化學穩定性驗證? 2024 AAAS

尤其是滿足了美國材料與試驗協會（ASTM）D3359附著力測試和標準化的的要求，本文由手性材料制備的ETL-OIHP異質界面顯著提高了PSC的耐久性。結果顯示，封裝的鈣鈦礦太陽能電池在?40°C到85°C以及超過1200小時進行200次循環的的熱循環試驗中，其展現出92%的功率轉換效率，且在經過85%相對濕度，85°C和600小時的濕熱試驗后仍然具有92%的效率。

圖4、基于原始SnO₂、異手性鈣鈦礦界面和同手性鈣鈦礦界面的PSCs器件穩定性測試? 2024 AAAS

三、【科學啟迪】

綜上所述，本研究將手性化學成功應用到鈣鈦礦夾層中，增強了ETL-OIHP異質界面的機械、化學和電化學性能。由此制備的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。同時，得益于有機分子更高的堆積密度、混合熵和彈性模量的優點，特別是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。更加重要的一點是，異手性界面得益于強大的面內結合和緊密的疏水苯環填充，從而防止水分穿透到OIHP和ETL之間的夾層中，這也為設計更加穩定和高效的異質界面提供了一個原理支撐。

文獻鏈接：“Chiral-structured heterointerfaces enable durable perovskite solar cells”（Science，2024，10.1126/science.ado5172）

本文由材料人CYM編譯供稿。