一、【科学背景】

历经十几年发展，钛矿太阳能电池（PSCs）作为一种具有成本效益的光伏技术，在科研领域和实际应用中都展现出广阔的发展前景！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，展现出出色的光物理特性，并与已有的商业化制造工艺兼容。据已报道的数据显示，单结PSCs的认证功率转换效率（PCE）已经高达26.1%，但PSCs易受环境温度变化的影响，这会导致电池界面的机械稳定性下降，尤其是界面处热膨胀系数不同带来的挑战。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。然而，近年来鲜有关于PSC中的界面失效的报道。 据悉，有机分子可以作为抵御环境因素的屏障，提高化学稳定性，但界面钝化对PSCs机械稳定性的影响尚不清楚。

二、【科学贡献】

基于此，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在Science发表了题为“Chiral-structured heterointerfaces enable durable perovskite solar cells”的论文，研究人员利用有机-无机卤化物钙钛矿（OIHP）的高度可调性来促进手性铵配位，从而将化学中常用的手性概念用于钙钛矿夹层中。得益于其独特的化学性质，手性夹层增强了PSCs中电子传递层 （ETL）-OIHP 异质界面的机械、化学和光电特性。本文设计的界面主要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，其中有机阳离子的异手性排列有助于苯环的堆积更紧密，从而提高了化学稳定性和电荷转移。

图1、同手性和异手性界面修饰的示意图 © 2024 AAAS

图2、ETL-OIHP异质界面的力学性能© 2024 AAAS

图3、ETL-OIHP异质界面的电子传输性质和化学稳定性验证© 2024 AAAS

尤其是满足了美国材料与试验协会（ASTM）D3359附着力测试和标准化的的要求，本文由手性材料制备的ETL-OIHP异质界面显著提高了PSC的耐久性。结果显示，封装的钙钛矿太阳能电池在−40°C到85°C以及超过1200小时进行200次循环的的热循环试验中，其展现出92%的功率转换效率，且在经过85%相对湿度，85°C和600小时的湿热试验后仍然具有92%的效率。

图4、基于原始SnO₂、异手性钙钛矿界面和同手性钙钛矿界面的PSCs器件稳定性测试© 2024 AAAS

三、【科学启迪】

综上所述，本研究将手性化学成功应用到钙钛矿夹层中，增强了ETL-OIHP异质界面的机械、化学和电化学性能。由此制备的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。同时，得益于有机分子更高的堆积密度、混合熵和弹性模量的优点，特别是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。更加重要的一点是，异手性界面得益于强大的面内结合和紧密的疏水苯环填充，从而防止水分穿透到OIHP和ETL之间的夹层中，这也为设计更加稳定和高效的异质界面提供了一个原理支撑。

文献链接：“Chiral-structured heterointerfaces enable durable perovskite solar cells”（Science，2024，10.1126/science.ado5172）