本文要点
本文探讨了手性钙钛矿材料在光子学中的应用，特别是它们在手性光学现象中的表现，如圆二色性（CD）和圆偏振光发光（CPPL）。这些现象使手性钙钛矿在量子通信、光学自旋电子学和生物科学等领域具有重要应用潜力。
研究背景
有机-无机卤化物钙钛矿材料由于其优异的光电特性，如高吸光系数、长扩散长度以及低激子束缚能，在太阳能电池领域展示了巨大的应用潜力。Ruddlesden-Popper (RP) 结构的二维（2D）钙钛矿材料，因其独特的层状结构，使其在光电性能和稳定性上有显著优势。同时，引入手性分子使钙钛矿能够对圆偏振光产生响应，这种现象称为圆二色性（CD），为太阳能电池的性能提升提供了新的可能。
研究内容
研究团队合成了含有手性分子的二维钙钛矿材料。这些手性分子分别是(R)-(+)和(S)-(-)-α-甲基苯乙胺（MBA）。通过调节手性值χ（即有机大分子与无机小分子的比例），他们合成了多个不同手性值的样品。通过控制有机手性分子的比例，合成了纯二维（χ=2）、准二维（χ>1）以及三维（χ=0）的钙钛矿材料。
通过光吸收光谱和光致发光（PL）光谱，研究了不同手性值的钙钛矿材料的光电特性。研究发现，纯二维钙钛矿在吸收光谱中表现出量子限域效应，这使得吸收光谱中出现额外的峰值。PL光谱进一步显示，随着手性值的减小（χ值从2到0.04），发光峰位发生红移，且发光寿命随着手性值的增加而变短。这表明，二维钙钛矿的量子限域效应在高手性值时更显著。
为了验证钙钛矿材料的手性，研究团队进行了CD光谱测量。CD光谱展示了材料对左旋和右旋圆偏振光的不同吸收情况。在纯二维结构中，手性分子对钙钛矿材料的光学性能产生了显著影响，尤其是在496 nm和510 nm波长处出现了明显的CD信号，表明手性对材料的光学活性有显著贡献。然而，随着χ值的降低，CD信号逐渐减弱，表明手性在低手性值的结构中作用较小。
接下来通过密度泛函理论（DFT）和Bethe-Salpeter方程（BSE）计算，团队研究了手性钙钛矿材料的带隙和吸收光谱。纯二维钙钛矿的计算带隙为2.23 eV（S-MBA）和2.21 eV（R-MBA），理论计算与实验测量的结果相吻合（实验带隙约为2.38 eV）。通过CD光谱的理论模拟，进一步证实了实验结果，验证了手性分子对钙钛矿材料光学性质的影响。
紧接着使用单晶X射线衍射（SC-XRD）和粉末X射线衍射（pXRD）对二维钙钛矿的结构进行了详细表征。SC-XRD揭示了纯二维手性钙钛矿的精确晶体结构，pXRD则用于研究不同手性值的结构。结果表明，纯二维和准二维钙钛矿的结构具有良好的层状排列，而在低手性值（χ=0.4）时，钙钛矿的三维结构特征更加显著。
为了研究手性分子对太阳能电池性能的影响，研究团队将这些手性钙钛矿材料集成到太阳能电池中，结构为：FTO玻璃/介孔TiO₂/钙钛矿/Spiro-OMETAD/金电极。光伏测试表明，在高手性值（χ=2）时，手性对短路电流密度（Jsc）的影响较为显著，而在低手性值时，这种影响减弱。研究还通过圆偏振光（CP）测试区分了手性对电池性能的影响，发现手性主要影响Jsc，而对开路电压（Voc）没有明显作用。
电荷提取（CE）分析显示，在不同手性值的器件中，手性值越大，电荷复合的速率越慢，即高手性值的钙钛矿材料能够保持更多未复合的电荷，这与PL寿命的测量结果一致。外量子效率（EQE）测试表明，随着手性值的增加，钙钛矿材料对光的响应效率提高，Jsc与EQE结果相符，验证了光伏性能。
研究团队还对太阳能电池在不同环境条件下的稳定性进行了测试。在较高湿度环境下（43-49%），手性钙钛矿太阳能电池在80天内保持了良好的效率，而在N₂环境下（H₂O < 0.1 ppm，O₂ < 0.1 ppm），电池的效率在8个月内几乎没有衰减。
总结与展望
在高手性值时，手性对光电性能有更显著的影响，尤其是电流密度。而在低手性值时，这种影响较弱。这些手性二维钙钛矿材料展现了对圆偏振光的响应能力，并首次被成功引入到太阳能电池中。这项研究为发展具有极化响应能力的杂化钙钛矿材料提供了新的方向，并指出进一步优化手性分子和结构参数对提升光伏性能具有重要意义。
文献详情
Adva Shpatz Dayan, Małgorzata Wierzbowska, and Lioz Etgar
Small Struct. 2022, 2200051
DOI: 10.1002/sstr.202200051
