在過(guò)去幾年中，隨著高熵材料的興起，這一新興領(lǐng)域吸引了廣泛的關(guān)注。高熵材料是指由多種混合組分構(gòu)成、具有高度無(wú)序性的材料系統(tǒng)，其展現(xiàn)出超出傳統(tǒng)直覺(jué)的優(yōu)異性能。傳統(tǒng)上人們認(rèn)為混合物的性質(zhì)應(yīng)該是其組成成分的平均值，然而高熵材料卻通過(guò)增加混亂程度而獲得了意想不到的性能提升，這一現(xiàn)象引發(fā)了科學(xué)界的極大興趣。高熵合金和氧化物最早被廣泛研究，它們表現(xiàn)出在極端溫度條件下單相穩(wěn)定性、緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和優(yōu)良的機(jī)械性能等獨(dú)特特性。隨后，高熵材料的研究范圍擴(kuò)展到了氮化物、碳化物、硫化物和硼化物等不同化學(xué)體系，這些材料同樣通過(guò)近等摩爾比的混合來(lái)增加熵值，從而獲得優(yōu)越的性能。盡管如此，目前大部分高熵材料的熵增益主要?dú)w因于其混合的無(wú)機(jī)組分的構(gòu)型失序，而有機(jī)基團(tuán)在高熵結(jié)構(gòu)中的潛力尚未被充分開(kāi)發(fā)和探索。有機(jī)-無(wú)機(jī)混合材料作為一種新興的材料設(shè)計(jì)策略，具有豐富的化學(xué)多樣性和結(jié)構(gòu)靈活性，然而其在高熵材料領(lǐng)域的應(yīng)用和效果仍屬未知。為了填補(bǔ)這一研究空白，浙江大學(xué)薛晶晶教授，西湖大學(xué)王睿教授團(tuán)隊(duì)在“Nature Photonics”期刊上發(fā)表了題為“High-entropy hybrid perovskites with disordered organic moieties for perovskite solar cells”的最新論文。本研究團(tuán)隊(duì)探索了一類有機(jī)-無(wú)機(jī)混合高熵鈣鈦礦材料。通過(guò)混合不同類型的A位有機(jī)陽(yáng)離子和多種烷基鏈，作者構(gòu)建了一種新型的高熵混合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅保持了高熵材料的基本特征，即高度無(wú)序性和復(fù)雜性，同時(shí)還引入了有機(jī)基團(tuán)的熵效應(yīng)。作者的研究揭示了這些材料在單晶水平上的結(jié)構(gòu)特征，證實(shí)了其混合晶體結(jié)構(gòu)：有序的無(wú)機(jī)框架與無(wú)序的有機(jī)基團(tuán)相結(jié)合。 在太陽(yáng)能電池應(yīng)用方面，作者發(fā)現(xiàn)這種高熵混合鈣鈦礦材料在反轉(zhuǎn)器件結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出了卓越的性能。其最大光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了25.7%，并且在連續(xù)照明下操作1,000小時(shí)后，電池仍保持了超過(guò)98%的初始效率，具有線性外推到5,040小時(shí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的單組分鈣鈦礦相比，作者的高熵混合鈣鈦礦展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)，特別是在應(yīng)對(duì)不同鈣鈦礦組成、化學(xué)計(jì)量偏差、薄膜處理歷史和器件結(jié)構(gòu)等多種復(fù)雜條件下，依然能夠穩(wěn)定提升器件性能。
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次探索了有機(jī)-無(wú)機(jī)混合高熵鈣鈦礦材料，引入無(wú)序的有機(jī)基團(tuán)以增加熵值。（2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)混合多種類型的A位有機(jī)陽(yáng)離子和不同烷基鏈，構(gòu)建了一種名為高熵混合鈣鈦礦（HEHP）的材料。HEHP具有單相結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性在高溫條件下得到顯著提升，這一結(jié)果為新型高熵材料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了新思路。 （3）通過(guò)詳細(xì)的單晶結(jié)構(gòu)分析和柱形裝配模型的建立，揭示了HEHP的混合晶體結(jié)構(gòu)：有序的無(wú)機(jī)框架與無(wú)序的有機(jī)基團(tuán)相結(jié)合。這些結(jié)果不僅擴(kuò)展了高熵材料的應(yīng)用范圍，也為其性能優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)支持。（4）在應(yīng)用方面，HEHP在反轉(zhuǎn)器件結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池中表現(xiàn)出卓越的性能，最高光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25.7%，并展示出超過(guò)5,000小時(shí)的穩(wěn)定性，這證明了HEHP作為一種通用且容錯(cuò)的材料設(shè)計(jì)策略的潛力。
圖文解讀
圖1 | 高熵混合鈣鈦礦high-entropy hybrid perovskite，HEHPs薄膜構(gòu)造。圖3 | 高熵混合鈣鈦礦HEHP材料的理論模型示意圖。圖4 | 高熵混合鈣鈦礦HEHPs的光伏應(yīng)用。
科學(xué)啟迪
這項(xiàng)研究揭示了利用有機(jī)基團(tuán)的無(wú)序性構(gòu)建高熵材料的新策略，并將其成功應(yīng)用于光伏領(lǐng)域，展示了其在提高性能和穩(wěn)定性方面的潛力。通過(guò)融合多種A位有機(jī)陽(yáng)離子，作者創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一種有序-無(wú)序混合結(jié)構(gòu)的高熵混合鈣鈦礦（HEHP），在光電轉(zhuǎn)換效率和器件壽命方面取得了顯著進(jìn)展。這種策略不僅在各種鈣鈦礦組成和器件架構(gòu)下都表現(xiàn)出色，還為未來(lái)工業(yè)化生產(chǎn)提供了一種可行的通用解決方案，能夠有效提升產(chǎn)量和優(yōu)化性能。此外，有機(jī)基團(tuán)豐富的化學(xué)性質(zhì)和混合構(gòu)型的靈活性為進(jìn)一步拓展高熵混合材料的應(yīng)用提供了新的可能性。總體而言，本研究為材料科學(xué)和能源技術(shù)領(lǐng)域提供了重要的科學(xué)啟示，強(qiáng)調(diào)了在設(shè)計(jì)復(fù)雜材料結(jié)構(gòu)時(shí)利用有機(jī)-無(wú)機(jī)混合策略的價(jià)值，并為未來(lái)的材料設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究開(kāi)辟了新的思路和方向。 Tian, Y., Zhang, X., Zhao, K. et al. High-entropy hybrid perovskites with disordered organic moieties for perovskite solar cells. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01468-1
