近日，西北工业大学航空学院博士生李志浩以第一作者在《自然：通讯》（Nature Communications）杂志在线发表题为《超支化聚合物修饰柔性钙钛矿太阳能电池提升机械稳定性并抑制铅泄露》（Hyperbranched polymer functionalized flexible perovskite solar cells with mechanical robustness and reduced lead leakage）的研究论文，航空学院张超教授和材料学院李祯教授为论文共同通讯作者。该研究提出了基于界面粘结层的柔性钙钛矿太阳能电池的层间增韧策略，解决了柔性太阳能电池在形变过程中功能层易分离的难题，实现了柔性钙钛矿太阳能电池光电性能和机械稳定性的同步提升，展示了界面粘结层在柔性钙钛矿器件上的应用前景。
太阳能电池的轻量化与柔性化是航空航天高效能源系统发展的重要方向。柔性钙钛矿太阳能电池（FPSCs）在可穿戴电池、太阳能无人机等领域有广阔的应用前景。但FPSCs的效率和稳定性要明显低于刚性电池，尤其是柔性电池在反复抗弯后性能大幅下降。钙钛矿太阳能电池是一种典型的多层结构，钙钛矿光吸收层与相邻功能层之间的界面断裂能通常较低，电池在反复弯折过程中发生层间开裂，导致电池的光电性能不可逆衰减。
针对上述问题，我校材料学院纳米能源材料研究中心李祯教授课题组设计了一种树枝状超支化分子（HBPs）界面粘结材料，将其引入FPSCs的SnO2/钙钛矿界面，提高层间粘附力，界面断裂能从1.08 J·m−2提升到2.13 J·m–2，将薄弱的SnO2/钙钛矿界面转变为具有高断裂韧性的坚固界面，从而显著提高了柔性钙钛矿太阳能电池的机械稳定性。添加HBPs粘结层的柔性钙钛矿太阳能电池实现了23.86%的高效率，并展现出优异的抗弯折性能，在弯曲半径为3 mm的条件下弯折10000次后，仍可以保持其初始效率的88.9%，远高于未添加粘结层的器件（35.5%）。同时枝状分子中的分子空腔可以高效吸附Pb2+并阻挡H2O分子入侵，从而降低电池破损时的铅泄露风险，提高柔性钙钛矿太阳能电池应用的安全性。
基于此工作，李祯教授与航空学院张超教授合作，在Nature Communications上发表题为“Hyperbranched polymer functionalized flexible perovskite solar cells with mechanical robustness and reduced lead leakage”的论文。第一作者为我校航空学院博士研究生李志浩。
超支化聚合物（HBPs）粘合剂层与SnO2电子传输层和钙钛矿层的粘结效应。（a）HBPs的分子结构；（b）HBPs粘结SnO2和钙钛矿界面的示意图；（c）器件的双悬臂梁（DCB）试验示意图；（d）标件和HBPs修饰器件的界面断裂能；（e）纳米划痕测试后钙钛矿薄膜的SEM图；（f）1 cm2的最优柔性器件的J-V曲线；（g）器件的有限元仿真模拟。
本文设计了一种柔性钙钛矿电池的界面修饰层，研究了枝状界面修饰层与钙钛矿及SnO2的化学相互作用，比较了分子的线性或枝状构型对界面断裂能的影响。通过力学-光电耦合测试，配合有限元分析，揭示了枝状分子粘结层提升柔性器件机械性能的机理。最后展示了粘结层抑制铅泄露的功能。枝状分子粘结层为构建高效、稳定、安全的柔性钙钛矿光电器件提供了崭新的思路。
该研究得到了国家自然科学基金面上项目、陕西省自然科学基金项目、航天动力陕西实验室开放项目、测试中心等的资助支持。该研究的有效开展离不开西北工业大学陕西省冲击动力学及工程应用重点实验室以及西北工业大学凝固技术国家重点实验室的平台支持。
通讯作者简介：
张超，教授/博导，国家级高层次青年人才。主要从事复合材料力学、冲击动力学、航空发动机结构强度、多尺度多场耦合力学、能源器件机械安全等研究。2020-2022连续三年入选全球前2%顶尖科学家年度影响力榜单；主持/承担国家自然科学基金（4项）、国家级重大项目子课题、国家重大型号研制/预研项目等20余项；曾获陕西省青年科技奖、全国爆炸力学优秀青年学者、陕西省高等学校科学技术一等奖（1/5）、民航科学技术二等奖（3/10）等。担任CME副主编、AMS编委、航空学报中英文版青年编委、中国复合材料学会青年工作委员会执行委员、中国力学学会固体力学专委会复合材料工作组组员等学术兼职。
李祯，教授/博导，国家级高层次青年人才。于2008，2013年毕业于清华大学材料科学与工程系，分别获得学士和博士学位，其后在新加坡南洋理工大学（NTU）和美国可再生能源国家实验室（NREL）从事研究工作，2018年加入西北工业大学。主要从事钙钛矿太阳能电池以及纳米材料在光伏领域的应用研究。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41931-1
（审核：宣建林、苏海军）
