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模擬天然手性結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，有利于提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的機(jī)械可靠性。

在此，香港浸會(huì)大學(xué)段甜偉博士（第一作者），美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室朱凱研究員和香港科技大學(xué)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(jī)械可靠性相對(duì)較低的問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，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(jié)構(gòu)中間層，以形成強(qiáng)而有彈性的異質(zhì)界面。結(jié)果顯示，封裝太陽(yáng)能電池能夠在-40至85°C溫度范圍內(nèi)循環(huán)200次，持續(xù)1200小時(shí)后，其功率轉(zhuǎn)換效率仍保持在92%左右，即26%。

相關(guān)文章以“Chiral-structured heterointerfaces enable durable perovskite solar cells”為題發(fā)表在Science上。據(jù)悉，段甜偉博士2021年博士畢業(yè)于上海交通大學(xué)車順愛教授課題組，現(xiàn)為香港浸會(huì)大學(xué)博士后。本文2024年2月6日投稿，4月11日接收，僅歷時(shí)兩個(gè)月，本文也得到了審稿人的一致好評(píng)！

她，上交博士畢業(yè)，投稿到接受僅兩個(gè)月，今日一作重磅Science！

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）已被證明是一種具成本效益的光伏技術(shù)，展現(xiàn)出令人印象深刻的性能。其中，有機(jī)-無(wú)機(jī)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(yè)化制造工藝相兼容。據(jù)報(bào)道，單結(jié)PSCs的認(rèn)證功率轉(zhuǎn)換效率（PCEs）高達(dá)26.1%。然而，PSC在承受受溫度變化影響的實(shí)際條件方面面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是，其關(guān)鍵界面的機(jī)械可靠性相對(duì)較低，尤其是兩層具有不同熱膨脹系數(shù)的界面。例如，與晝夜循環(huán)相關(guān)的溫度變化以及不同器件層之間的熱膨脹不匹配系數(shù)可導(dǎo)致界面滑動(dòng)、層間分層和空隙形成，最終導(dǎo)致PSC中的機(jī)械故障和材料降解，且但專門針對(duì)PSC中的界面故障的報(bào)道數(shù)量有限。?

通常情況下，減輕熱循環(huán)疲勞的策略包括探索熱穩(wěn)定材料、減輕界面應(yīng)力和改進(jìn)封裝方法等。盡管這些策略有助于提高材料的熱穩(wěn)定性，但還需要付出更多的努力來(lái)解決與異質(zhì)界面機(jī)械可靠性相關(guān)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，在解決界面問(wèn)題時(shí)，界面鈍化已被用于加強(qiáng)電荷傳輸層和OIHP之間的相互作用。界面上的有機(jī)分子還可以作為抵御環(huán)境因素的屏障，以提高化學(xué)穩(wěn)定性。然而，界面鈍化對(duì)PSCs機(jī)械穩(wěn)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(jù)了解，手性材料具有有趣的光學(xué)和電子特性。因此，大多數(shù)手性鈣鈦礦的研究都集中在光電子學(xué)和自旋電子學(xué)中的應(yīng)用。此外，自然、機(jī)械穩(wěn)定的生物形態(tài)中的手性結(jié)構(gòu)采用螺旋或螺旋結(jié)構(gòu)的形式，并表現(xiàn)出出色的變形耐受性和動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。手性材料的突出機(jī)械性能與其亞基的螺旋堆積有關(guān)，但在PSCs開發(fā)中很少考慮手性材料的力學(xué)特性。

本文利用OIHPs的高可調(diào)性來(lái)促進(jìn)手性銨配位，從而引入手性鈣鈦礦夾層。這種手性?shī)A層增強(qiáng)了PSC中電子傳遞層（ETL）-OIHP 異質(zhì)界面的機(jī)械、化學(xué)和光電特性。同時(shí)，控制手性微觀結(jié)構(gòu)中的對(duì)映異構(gòu)體組分可以進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)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(qiáng)的界面粘附力。

圖2. ETL-OIHP界面的力學(xué)性能。

隨后，作者研究了基于n-i-p結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中常用的SnO₂-OIHP界面的手性結(jié)構(gòu)中間層的力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)薄膜粘附試驗(yàn)評(píng)價(jià)了OIHPs。如圖2A所示，機(jī)械試驗(yàn)的樣品制備為對(duì)稱夾層結(jié)構(gòu)。在樹脂上旋轉(zhuǎn)涂上一層薄薄的聚甲基丙烯酸甲酯，以保護(hù)鈣鈦礦免受化學(xué)腐蝕和環(huán)氧膠的表面應(yīng)變。一般來(lái)說(shuō)，觀察到具有同和異CPI的OIHP比原始結(jié)構(gòu)有更多完整的區(qū)域（圖2A）。

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

圖3：ETL-OIHP界面的電子性質(zhì)和化學(xué)穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)表明，使用手性鈣鈦礦夾層可以提高器件在標(biāo)準(zhǔn)熱循環(huán)、濕熱和連續(xù)光浸泡條件下的穩(wěn)定性，這些條件是由改進(jìn)的機(jī)械、化學(xué)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?shī)A層的0.06cm²照明面積的n-i-p和p-i-n鈣鈦礦太陽(yáng)能電池顯示出創(chuàng)紀(jì)的24.3%和26.0%，本研究證明了手性化學(xué)在進(jìn)一步提高光電子學(xué)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(yáng)能電池的器件性能和穩(wěn)定性。

綜上所述，作者表明手性結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦夾層具有動(dòng)態(tài)持久的手性填充，增強(qiáng)了異質(zhì)界面的機(jī)械、化學(xué)和載體提取性能。具有手性鈣鈦礦夾層的高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池對(duì)熱循環(huán)、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?shī)A層顯示出額外的增強(qiáng)，這利用了有機(jī)分子更高的堆積密度、混合熵和彈性模量的優(yōu)點(diǎn)。本文的工作為設(shè)計(jì)穩(wěn)定和高效的異質(zhì)界面提供了一個(gè)原理證明，可以利用手性鈣鈦礦夾層進(jìn)一步推進(jìn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和其他光電器件的發(fā)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).

原創(chuàng)文章，作者：計(jì)算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/05/25/7d52570cee/

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