高熵材料因其獨特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，在多個領域展現(xiàn)出廣泛的應用潛力。在高熵合金中，材料體系的熵效應使其產(chǎn)生了很多超越傳統(tǒng)合金材料的優(yōu)異性能。自高熵材料問世以來，其已從合金擴展到了氧化物、氮化物、碳化物、硫化物、硼化物等多種結(jié)構(gòu)，這些材料通常涉及五種或更多元素按照等原子比或近等原子比的混合。然而，這些材料中的高熵效應都來源于無機成分混合帶來的無序性，而利用有機組分的高混亂度來構(gòu)建高熵結(jié)構(gòu)尚未被探索。
鑒于此，研究人員探索了有機組分在構(gòu)建高熵材料中的潛力，成功開發(fā)了一系列新型高熵有機-無機雜化鈣鈦礦材料。通過等摩爾量組裝擁有不同烷基鏈長的有機陽離子獲得了一種具有有序無機骨架和無序有機組分的雜化鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)，利用有機組分的高混亂度提高了該材料體系的熵。與單有機組分鈣鈦礦相比，這種高混亂度多有機組分的鈣鈦礦展現(xiàn)出了更優(yōu)越的性能。研究人員通過改變有機陽離子的組合系統(tǒng)地研究了影響這一類材料熵增的因素，并建立了相應的理論模型。當將其應用于鈣鈦礦太陽能電池中時，基于高熵雜化鈣鈦礦的光伏器件相較于單組份器件其性能顯著提高，能夠?qū)崿F(xiàn)25.7%（認證為25.5%）的光電轉(zhuǎn)換效率。在連續(xù)光照運行1000小時后，基于高熵鈣鈦礦材料的電池可保持超過98%的初始光電轉(zhuǎn)換效率，推算得出的T90壽命，可達5000小時以上。
值得注意的是，這類高熵材料的結(jié)構(gòu)無序性使其可以作為一種通用性高且容錯性強的策略，在各種情況下提高鈣鈦礦太陽能電池的性能，如不同組分、不同化學計量比偏差、不同薄膜加工工藝和器件結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池中。這有望提高光伏器件的良品率，對于提高未來工業(yè)批量生產(chǎn)中鈣鈦礦設備的產(chǎn)量至關(guān)重要。鑒于有機組分結(jié)構(gòu)豐富性和可分子設計性，可能允許進一步擴展這種高熵混合材料家族，同時有望拓寬高熵材料的范疇，為材料科學領域開辟探索新材料的思路。隨著對高熵鈣鈦礦材料結(jié)構(gòu)和熵貢獻機制的深入理解，研究人員期待著這種新材料為未來的光伏以及其他應用領域帶來更多的驚喜和可能性。
該項研究成果于北京時間2024年7月1日，被國際著名期刊《自然·光子學》在線刊登。通訊作者為浙江大學薛晶晶研究員、西湖大學王睿研究員，浙江大學杭州國際科創(chuàng)中心鄧天琪、浙江大學物理學院陸赟豪、西湖大學工學院王鴻飛、南方科技大學陳熹翰等為此工作提供了重要的理論和技術(shù)支持，浙大團隊學術(shù)帶頭人楊德仁院士對此工作給予了重要指導和支持。浙江大學為該論文的第一單位。
研究人員首先通過設計多種有機陽離子的混合，極大增加了材料的構(gòu)型熵，由此成功合成出一個由有序-無序混合的新型高熵結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，無機鉛碘八面體骨架呈現(xiàn)出周期性的堆疊，而中間的有機層則表現(xiàn)出無序性。研究人員利用X射線衍射（XRD）和核磁共振（NMR）光譜等技術(shù)確認了材料的單相結(jié)構(gòu)和高熵特性。
為了深入理解高熵雜化鈣鈦礦材料的熵增效應，研究人員系統(tǒng)性地考察了影響高熵鈣鈦礦體系熵增的因素。通過對擁有不同陽離子的數(shù)量和烷基鏈長度的鈣鈦礦薄膜進行X射線衍射分析，研究人員發(fā)現(xiàn)增加A位陽離子的數(shù)量和烷基鏈長度有助于提高體系的熵值和相穩(wěn)定性。
同時，研究團隊建立了相關(guān)的理論模型。通過計算和實驗相結(jié)合的方法，驗證了材料中有機陽離子的多樣性和鏈長對體系熵的正向貢獻，這為理解和設計高熵材料提供了重要的理論指導。
得益于高熵結(jié)構(gòu)的獨特優(yōu)勢，基于該材料的光伏器件展現(xiàn)出了優(yōu)異的光電性能，其光電轉(zhuǎn)換效率高達25.7%，并在超過1000小時的運行后仍保持98%以上的初始效率。并且由于多種功能有機分子的存在，高熵鈣鈦礦的構(gòu)建展現(xiàn)出高度的普適性和容錯性，能夠適應不同的鈣鈦礦組成和器件結(jié)構(gòu)，在各種情況下提高鈣鈦礦太陽能電池的性能，這對于提高未來工業(yè)批量生產(chǎn)中鈣鈦礦器件的良品率提供了可能的新思路。
