Nat.Energy.:文章是否经得起推敲？对周圆圆&朱凯Science手性结构异质界面的评述！

界面工程是确保钙钛矿太阳能电池长期稳定性的关键。研究表明，手性分子不仅能提高界面的机械稳定性，还能钝化钙钛矿表面的缺陷，使太阳能电池更能耐受热循环应力。

钙钛矿太阳能电池因其高光电转换效率和潜在的低加工成本而备受瞩目。然而，这些器件存在长期稳定性问题。特别是在温度变化下，由于钙钛矿和电荷传输层的热膨胀系数不同，太阳能电池会经历机械失效和分层现象。解决热循环稳定性问题的一个关键策略是工程化钙钛矿与电荷传输层之间的界面，以增强两层之间的结合并钝化界面缺陷。最有前景的界面工程方法之一是使用形成低维钙钛矿状结构的体型阳离子（通常称为2D钙钛矿）。这些分子作为缺陷钝化剂，减缓界面处的电荷复合动态，从而提高长期稳定性。然而，目前尚不清楚这些钝化方法是否能确保界面具有足够的机械稳定性。

在《Science》杂志上，朱凯和周圆圆及其在香港和美国各地的同事们在钙钛矿吸收层和电子传输层之间的界面引入了两种手性分子——R-和S-甲基苯基铵碘化物，这些分子可单独或以外消旋混合物形式存在(图1a)。他们的研究报告显示，这些手性分子在界面处的应用提高了机械稳定性和缺陷钝化效果，从而增强了钙钛矿太阳能电池在热循环和潮湿热环境条件下的稳定性。

已知手性材料由于其螺旋堆积结构，对变形具有较高的耐受性，这使得它们类似于弹簧，在应力解除后能够恢复原状。然而，迄今为止，它们在钙钛矿太阳能电池中的应用主要是为了控制钙钛矿层的光电性能。朱凯和周圆圆团队展示了当钙钛矿层表面首先处理手性分子时，钙钛矿层与电子传输层之间的相互作用得到加强。特别是，外消旋混合物在增强钙钛矿层与电荷传输层的粘附性方面表现出显著效果，并且钙钛矿的断裂强度和弹性模量较单一对映体分子翻倍。

研究人员发现，当单独使用对映体分子R-和S-时，它们会以相对松散的螺旋结构排列。然而，当以外消旋混合物形式使用时，R-和S-手性分子的苯环之间形成更强的π–π相互作用（即较短的π–π堆积距离，如图1b、c所示），导致更高的堆积密度和更刚性的螺旋结构。这种结构表现出类似聚合物的机械行为，具有比单一对映体更高的弹性变形耐受性。

除了加强界面外，研究人员还发现，手性分子在钙钛矿层顶部诱导形成了2D钙钛矿结构，并通过其官能团确保钙钛矿表面缺陷的钝化。虽然外消旋混合物和单一对映体都表现出这种效果，但外消旋薄膜显示出更强的钝化能力。这可能是由于外消旋分子的分子排列方式使手性分子能够更强地与钙钛矿表面的空位相互作用。

朱凯和周圆圆团队报告称，由于外消旋混合物的有效缺陷钝化能力，n–i–p和p–i–n结构器件的光电转换效率分别达到了24.3%和26%。有趣的是，这些器件的光电流有所增加，这有些出人意料，因为手性分子可能充当光滤器，从而可能略微减少电流。然而，手性分子层预计非常薄，因此这种效应可能微乎其微。

研究团队在热应力和湿度应力条件下测试了器件的长期稳定性。经过手性分子处理的器件，无论是n–i–p还是p–i–n结构，在-40°C至85°C的热循环条件下表现优于对照器件，在200个循环后保持超过80%的初始效率，并且没有出现分层现象，这归功于钙钛矿/电子传输层界面改良后的机械性能。此外，经过外消旋混合物处理的n–i–p结构器件在85%相对湿度和85°C的条件下暴露600小时后仍能保持初始效率，而未经处理的对照器件在大约200小时后出现降解迹象。

朱凯和周圆圆团队的研究为基于手性分子特性的界面工程改善钙钛矿太阳能电池在热应力下的机械稳定性打开了大门。然而，驱动观察到的行为的机制还有许多问题有待解答。其中一个重要问题是，是否可以设计具有与研究人员所研究的手性分子相似的断裂强度和杨氏模量的聚合物，同时具备表面钝化功能和电荷载流子传输能力。

团队的研究强调了聚合物类行为的重要性，这引发了一些问题：手性本身对钙钛矿太阳能电池的机械稳定性是否重要？还是聚合物类行为所赋予的特定机械性能对稳定性的提升贡献最大？这些问题的答案对于指导研究界设计新材料的方法至关重要。总的来说，Zhou及其同事的研究结果呼吁材料科学家在新材料系统的创新上努力，以提高钙钛矿太阳能电池的性能。

Correa-Baena, JP. Chirality for stable interfaces. Nat Energy (2024).

https://doi.org/10.1038/s41560-024-01597-5

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