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ΣLab@HKUST
中国香港科技大学先进半导体研究室(ΣLab: www.alvinyzhou.com) 致力于半导体技术变革，从基础材料学及跨学科的多维视角，在钙钛矿等新型半导体领域开展应用基础研究
概览
香港科技大学化工系周圆圆教授团队（ΣLab）从宏观世界的“弹簧”获取灵感，通过调节手性钙钛矿晶体的几何构型，在钙钛矿-传输层异质界面之间，构筑了一种富有弹性且稳固的手性“弹簧”中间层，大幅度提高了钙钛矿太阳能电池在热循环和湿热条件下运行的耐久性。本工作采用有机阳离子（R-/S-甲基苄基碘化铵）的异手性排列促进苯环更紧密地堆积，在对映体控制的熵驱使下，不仅提高了界面对热循环引发的材料疲劳与降解的耐受性，也增强了界面的化学稳定性和电荷传输特性。基于手性结构增强界面的钙钛矿太阳能电池在热循环测试（-40°C至85°C）与湿热测试（85%湿度；85°C）工况下均具有90%以上的效率保持率。ΣLab团队段甜伟博士（香港研究资助局博士后）为本文的第一作者。本工作获得了美国可再生能源国家实验室（NREL）团队的合作支持：NREL朱凯博士为本文的共同通讯作者， NREL尤帅博士、陈敏博士为本文的共同一作。
图文解析
图1：同手性（Homochiral）和异手性（Heterochiral）界面修饰示意图。
图2：电子传输层-钙钛矿吸光层界面的力学性能。
研究团队接着探索了基于手性中间层n-i-p电池结构的力学性能，根据薄膜附着力测试评价钙钛矿吸光层的抗分层性能。具体采用对称结构制备了力学测试的样品，其分层结构自下而上为ITO玻璃|SnO2|钙钛矿层|聚甲基丙烯酸甲酯|环氧树脂|ITO玻璃。测试时，剥离顶部覆盖的ITO玻璃，留下牢固粘附在基板上的钙钛矿层。通过(ASTM) D3359 标准评估，结果表明具有基于手性中间层的钙钛矿层比原始结构和基于苯乙基碘化铵(PEAI)的结构具有更好的粘附力。此外，研究团队使用单轴拉伸测试进一步探究了电子传输层-钙钛矿吸光层界面的力学性能。结果表明基于异手性二维钙钛矿的界面具有更大的断裂强度和杨氏模量，更有利于提高电子传输层-钙钛矿吸光层界面的力学性能。
图3: 电子传输层/钙钛矿吸光层界面的电子传输和化学稳定性。
研究团队使用光致发光 (PL) 和时间分辨光致发光 (TRPL) 光谱进一步探索了不同MBA+堆叠模式对电子传输层-钙钛矿吸光层界面上载流子动力学的影响。通过对附着力测试粘贴下的钙钛矿本征样品底面的研究表明：与原始样品相比，基于异手性和同手性界面制备的样品PL增强，是由于陷阱的钝化减少了Shockley-Read-Hall过程中的非辐射复合，因此也导致了更长的激子寿命。此外，对于SnO2-钙钛矿吸光层的样品研究表明基于异手性和同手性二维手性钙钛矿界面钙钛矿样品的光生自由载流子的辐射发射增强，是由于二维钙钛矿结构有效控制了钙钛矿吸光层界面的缺陷。空间电荷限制电流测量研究表明：与原始结构相比，基于二维手性钙钛矿界面的钙钛矿薄膜的电子陷阱密度也进一步降低，实现了更有效的电子传输。此外，在室温情况下的化学稳定性研究表明基于手性二维手性钙钛矿界面的钙钛矿薄膜更加稳定。
图4: 基于原始SnO2电子传输层、同手性和异手性钙钛矿界面的太阳能电池性能和稳定性。
研究团队制造了n-i-p和p-i-n结构的太阳能电池来评估光伏性能，所测试器件制备基于原始电子传输层、同手性界面和异手性界面，并在AM1.5-G太阳光照下测试反向扫描时的电流密度-电压(J-V)曲线，有效照射面积为0.06 cm2。n-i-p太阳能电池基于原始电子传输层、同手性界面和异手性界面的冠军效率分别为21.9%，23.7%和24.9%；p-i-n太阳能电池基于原始电子传输层、同手性界面和异手性界面的冠军效率分别为24.0%，25.4%和26.0%。此外，根据 IEC 61215:2016 测试标准 MQT 13，使用紫外线固化粘合剂和玻璃盖板进行封装，基于异手性的钙钛矿太阳能电池在湿热条件下也表现出优异的抗疲劳性能。该封装器件在85°C、85%湿度的环境中暴露600小时后仍保持92%的原始性能。在IEC 61215:2016 MQT 11热循环条件下（−40°C至85°C），同手性界面和异手性界面的n-i-p和p-i-n太阳能电池在200次循环后均保留了超过80%以上的原始效率。然而，具有原始电子传输层的n-i-p和p-i-n太阳能电池在100次温度循环后迅速下降至60%左右。
总结与展望
研究团队证明了具有动态适应性的手性结构钙钛矿中间层增强了电子传输层和钙钛矿吸光层异质界面的力学、化学和载流子提取性能。同时，具有手性钙钛矿中间层的高效钙钛矿太阳能电池也表现出对热循环、湿热等工况下的良好耐久性。此外，具有右旋和左旋外消旋混合物的异手性钙钛矿中间层显示出额外的增强作用，这主要与异手性结构中有机分子堆积密度更高、混合熵更高以及弹性模量更高等特点相关。本研究作为概念验证，提供了一种在手性构型下探索薄膜器件中力、光、电耦合效应的新思路。
