鈣鈦礦和電荷傳輸層之間的界面是鈣鈦礦太陽能電池持久性不足的主要原因，鈣鈦礦和電荷傳輸層的界面非常復雜，存在相互矛盾的化學相互作用和機械相互作用。有鑒于此，新加坡國立大學侯毅教授等報道一種非常有效的剝離（debonding）技術，能夠深入分析鈣鈦礦的晶體生長和老化晶相過程中的異質界面。分析結果表明鈣鈦礦的機械穩定性和化學穩定性之間存在著權衡問題，界面粘接（斷裂能達到2.49J m-2~0.38J m-2）、質子遷移相互作用、退化之間的強烈關系。為了解決穩定性問題，作者將Me-4PACz和DCZ-4P分子混合，通過引入的磷酸螯合基團增強氧化物和鈣鈦礦的界面鍵合。通過這種提高界面穩定性的策略，實現了25.6%的鈣鈦礦太陽能電池器件效率，在ISOS-L-1I和ISOS-D-2I標準條件測試1000h仍維持90%的初始性能。在熱循環條件測試過程中，界面穩定處理的鈣鈦礦器件在500圈循環后，效率仍保持95%，熱穩定性超過了IEC 61215和ISOS-T-3I的標準。 這項研究開發了一種非破壞性、能夠與制備兼容的普適性策略研究鈣鈦礦-氧化物（Pero-MeOx）界面相互作用。首先在真空條件下，將含有鈣鈦礦層（Cs0.1FA0.9PbI3）和金屬氧化物基底的兩個半電池鍵合，隨后通過剝離處理將Pero-MeOx界面分開。鈣鈦礦層的高晶化度能夠保證不同薄膜之間無縫鍵合，因此有助于Pero-MeOx界面層容易剝離。橫截面SEM表征結果表明，在真空環境形成緊密且均勻的晶化體相鈣鈦礦層，這與大氣環境生成的鈣鈦礦層明確不同，在大氣氣氛形成的鈣鈦礦層表現明確的邊界，表明Pero-Pero鍵合比較弱。這是因為高真空環境避免了濕氣和氧氣的影響（影響鈣鈦礦太陽能電池性能的關鍵原因）。XRD表征結果表明，真空粘接鈣鈦礦層得到的鈣鈦礦PbI2峰強度比傳統層壓鈣鈦礦的PbI2峰強度低，熒光光譜同樣驗證。因此，在Pero-MeOx界面之后的剝離過程中可以看作主要受到的是機械力，這種粘接處理過程與鈣鈦礦沉積過程極為類似，因此能夠研究Pero-MeOx界面的性質。 通過機械雙懸臂梁DCB（mechanical double-cantilever beam）技術測試MeOx-Pero-MeOx疊層的剝離。測試各種Pero-MeOx界面斷裂能（interface fracture energy）發現，Pero-ZnOx界面的平均斷裂能最高（~2.49J m-2），Pero-TiOx界面的平均斷裂能最低（~0.38J m-2）。斷裂能提高有助于異質界面免于受到損壞。此外，研究發現表面粗糙度和晶粒尺寸基本上沒有影響。而且對不同制備技術的斷裂能進行測試，發現標準化處理的重要性。由于鈣鈦礦體相晶體的強鍵合，因此這項技術能夠作為環氧化物-剝離技術的替代性方案。 剝離異質界面的表征。首先對剝離得到的Pero-MeOx界面成像表征，并且對各種Pero-MeOx界面參數進行比較。SEM和AFM表征鈣鈦礦的形貌，發現基本上所有的Pero-MeOx界面都存在不同尺寸的孔，這種孔影響PSC電池的效率和穩定性，但是不同界面的孔比例不同。表征結果發現ZnOx表現出不尋常的形貌，而且通過EDX表征發現ZnOx界面覆蓋六方晶相PbI2雜質。這個結果表明，Pero-ZnOx界面具有強相互作用，導致晶化過程形成大量的PbI2。AFM表征結果表明，在晶體生長過程中由于界面相互作用對界面鈣鈦礦形貌破壞的現象是Pero-ZnOx最高，Pero-TiOx最弱。通過導電共聚焦PL成像以及KPFM（Kelvin探針力顯微鏡）表征Pero-MeOx界面相互作用對鈣鈦礦薄膜的光學性質和電子學性質的影響。表征結果表明從Pero-ZnOx到Pero-TiOx，PL逐漸增強，均勻性增加。在Pero-ZnOx具有最強的低PL區域，這種低PL區域對應于局部缺陷和不均勻性導致的鈣鈦礦薄膜分解。KPFM表征電勢分布情況，發現隨著Pero-ZnOx向Pero-TiOx，由于界面缺陷導致的電勢變化程度變小。界面電勢的均勻有助于載流子的抽取和鈣鈦礦電池器件的穩定。研究Pero-MeOx界面相互作用機理。通過XPS表征技術研究界面各種主要元素的電子結構，對Pero-ZnOx界面表征結果表明Pd 4f7/2和I 3d5/2偏移~0.2eV，對應于鈣鈦礦消除A+I-轉變為PbI2。N 1s表征發現產生FA脫質子的新峰。對剝離界面的ZnOx表征O1s和Zn2p，觀測發現與鈣鈦礦形成界面導致ZnOx的氧缺陷增加，Zn2p的峰位置移動+0.7eV，對應于Zn-O化學鍵變成Zn-OH和Zn-I。表征發現，各種Pero-MeOx界面表征都具有類似的現象（FA脫質子化以及生成PbI2）。 X射線表征。通過XRD和FTIR表征不同Pero-MeOx界面，發現界面質子轉移相互作用和異質界面粘結之間相關，因此作者認為界面粘結作用來自金屬氧化物吸附鈣鈦礦晶體的質子。強吸附能力增強界面粘結，但是同時增加界面氫原子轉移，導致損壞Pero-MeOx界面穩定性，進一步表征發現這種現象具有普適性。此外，通過XAFS和XANES進一步表征。這種技術能夠用于表征各種老化處理后的界面。分別對85℃熱老化100h后的界面情況，發現熱老化處理過程加快界面脫質子，導致產生更多PbI2。這個過程具有普適性，在Pero-TiOx界面同樣存在這個現象；其次，測試界面在1個太陽光照射100h后的情況，發現所有的Pero-MeOx界面的金屬態Pb都在光老化過程中增加。而且，不同Pero-MeOx界面生成的Pb金屬有所不同。通過原位XAFS進一步闡明不同老化處理過程中的界面相互作用機理。對Pero-NiOx界面在老化過程中的變化情況進行連續表征。發現熱老化過程中Ni價態顯著降低，對應于H+吸附增強，導致3d軌道占據增加。光老化過程中導致XAFS峰藍移~0.4eV，對應于Pero-NiOx界面空穴在光照射下激發，導致Ni價態恢復。而且表征發現，鈣鈦礦的質子轉移現象在一定程度上是可逆的過程。 Pero-NiOx界面是最重要的p-i-n鈣鈦礦界面。作者通過開發的界面剝離技術，發現界面加入Me-4PACz分子能夠起到阻擋作用，阻礙界面反應。但是，Me-4PACz同樣因為與鈣鈦礦之間弱成鍵作用，導致產生層間脫離問題。為了解決這種粘結-分解的權衡，加入另一種分子（DCZ-4P），當Me-4PACz和DCZ-4P以1:1的比例形成SAM混合層，不僅增強界面粘結，而且提高穩定性。雙分子混合SAM層（D4P）鈣鈦礦電池性能。分別測試構筑p-i-n結構的Me-4PACz-NiOx鈣鈦礦電池和D4P-NiOx鈣鈦礦電池，發現雙分子混合D4P層改善電池性能，測試得到最高的電池效率達到25.6%，認證電池效率達到25.4%。穩定性測試結果同樣表明，雙分子混合D4P改善鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。通過ISOS-L-1I標準測試（25℃，85% RH，1個太陽），發現T90時間達到1000h。這個長時間穩定性比單一分子Me-4PACz-NiOx鈣鈦礦太陽能電池的穩定性更好（600h后性能衰減至85%）。通過ISOS-D-2I標準測試（85℃）長時間穩定性，發現D4P-NiOx鈣鈦礦太陽能電池在1000h熱老化后性能仍保持91.3%，比對比的單分子Me-4PACz-NiOx鈣鈦礦太陽能電池性能更好（1000h后的性能僅為73.2%）。熱循環測試結果表明，在-40℃/85℃的30min循環測試中，D4P-NiOx鈣鈦礦太陽能電池在500圈熱循環過程中性能保持95%，但是對照的單分子Me-4PACz-NiOx鈣鈦礦太陽能電池的效率降低至54%。 這項研究在缺陷Bi2Te3塊體晶體中實現優異的塑性，顯著的將塑性熱電材料的室溫品質因數提高值1.05，這個數值可與最好的脆性熱電半導體材料比較，這項工作不僅開發了高性能塑性熱電材料，而且提供將脆性材料轉變為塑性材料的策略。Chen, J., Wang, X., Wang, T. et al. Determining the bonding–degradation trade-off at heterointerfaces for increased efficiency and stability of perovskite solar cells. Nat Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01680-xhttps://www.nature.com/articles/s41560-024-01680-x
