鈣鈦礦光伏電池是一種具有顛覆性的新型太陽能技術。自2009年首次報道以來，該技術被科學界和工業界廣受關注，已逐漸發展成熱門科技領域。柔性鈣鈦礦電池是該領域的一個重要發展方向。相比較於剛性器件，柔性器件除了要實現高光電轉換效率和高工作穩定性，還需面臨其可彎曲性帶來的力學穩定性問題。介面工程是實現高效、穩定鈣鈦礦電池的重要手段。通常，透過引入新的功能層實現能級排列最佳化、抑制介面缺陷，從而提高電池器件效率和工作穩定性。然而，新介面的引入容易對原有介面的力學結合完整性造成損害，這對在使用中需要反覆彎曲的柔性器件尤為不利。因此，設計在光電功能和力學結合上均穩定的介面，對於提升柔性器件的持續執行力，以及反覆彎曲承受力將至關重要。

香港浸會大學周圓圓課題組與布朗大學Nitin P. Padture課題組、大連理工大學史彥濤課題組、清華大學王立鐸課題組等多方合作，在Nature Communications上發表論文‘Interpenetrating interfaces for efficient perovskite solar cells with high operational stability and mechanical robustness’，透過控制預先沉積的有機胺滷 - 二氧化錫複合電子傳輸層與碘化鉛富餘的鈣鈦礦層的擴散反應，成功製備了一種新穎的滲透型介面結構。研究表明，該介面可透過形成電場增強型異質結促進載流子分離和傳輸，提高器件效率（柔性20.1%）和執行穩定性。更重要的是，該設計有效提高介面的力學結合，增強介面反覆迴圈彎曲的疲勞耐受性。基於此，器件在2500次反覆彎曲迴圈後依然保留初始效率的85％。

圖. 滲透型鈣鈦礦/電子傳輸層介面設計概念：基於電子傳輸層中預先新增的有機胺滷與鈣鈦礦層中富餘碘化鉛的介面擴散反應。

本工作運用多種高解析度表徵技術對滲透型鈣鈦礦-電子傳輸層介面的結構特性、電荷傳輸特性以及力學耐受特性等進行深入研究：

1. 結構特性：透射電子顯微鏡成像和奈米尺度元素分析的結果表明了鈣鈦礦向電子傳輸層的有效滲入，合理證明了鈣鈦礦層中過量碘化鉛與電子傳輸層預留的有機鹵化物之間發生了介面反應，從而導致鈣鈦礦相滲透到電子傳輸層中，得到滲透型介面。

2. 電荷傳輸特性：紫外光電子能譜結果展示了滲透型設計對於介面的能級過渡效應。進一步地，使用開爾文探針原子力顯微鏡研究介面電勢分佈，結果表明，滲透型介面處更大的電勢差與更寬的耗盡區更有利於光生載流子的分離與傳輸，這一點也在瞬態熒光光譜中該介面更快的熒光衰減得到證實。

3. 力學耐受特性：除了透過監測反覆彎曲過程中柔性器件的效率，來判斷柔性器件力學耐受性之外，還對不同彎曲階段的介面進行截面掃描表徵，確定微觀狀態變化。結果表明，在反覆彎曲1000次後，常規薄膜中已經出現鈣鈦礦和電子傳輸層相互剝離的現象，隨著彎曲次數的增加剝離現象更加嚴重。而基於滲透型介面的薄膜雖然反覆彎折後會有裂紋出現，但剝離現象明顯得到遏制。

該工作研究人員期望未來對滲透型介面的形成機理的深入研究，開發新方法以實現滲透型介面結構的精準設計，從而最大程度的增強器件效率、穩定性以及力學可靠性，為鈣鈦礦太陽能電池的市場應用開闢道路。

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ncomms | doi: 10.1038/s41467-021-21292-3