近日，西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院博士生李志浩以第一作者在《自然：通訊》（Nature Communications）雜志在線發(fā)表題為《超支化聚合物修飾柔性鈣鈦礦太陽能電池提升機(jī)械穩(wěn)定性并抑制鉛泄露》（Hyperbranched polymer functionalized flexible perovskite solar cells with mechanical robustness and reduced lead leakage）的研究論文，航空學(xué)院張超教授和材料學(xué)院李禎教授為論文共同通訊作者。該研究提出了基于界面粘結(jié)層的柔性鈣鈦礦太陽能電池的層間增韌策略，解決了柔性太陽能電池在形變過程中功能層易分離的難題，實(shí)現(xiàn)了柔性鈣鈦礦太陽能電池光電性能和機(jī)械穩(wěn)定性的同步提升，展示了界面粘結(jié)層在柔性鈣鈦礦器件上的應(yīng)用前景。

太陽能電池的輕量化與柔性化是航空航天高效能源系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。柔性鈣鈦礦太陽能電池（FPSCs）在可穿戴電池、太陽能無人機(jī)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。但FPSCs的效率和穩(wěn)定性要明顯低于剛性電池，尤其是柔性電池在反復(fù)抗彎后性能大幅下降。鈣鈦礦太陽能電池是一種典型的多層結(jié)構(gòu)，鈣鈦礦光吸收層與相鄰功能層之間的界面斷裂能通常較低，電池在反復(fù)彎折過程中發(fā)生層間開裂，導(dǎo)致電池的光電性能不可逆衰減。

針對(duì)上述問題，我校材料學(xué)院納米能源材料研究中心李禎教授課題組設(shè)計(jì)了一種樹枝狀超支化分子（HBPs）界面粘結(jié)材料，將其引入FPSCs的SnO2/鈣鈦礦界面，提高層間粘附力，界面斷裂能從1.08 J·m?2提升到2.13 J·m–2，將薄弱的SnO2/鈣鈦礦界面轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈邤嗔秧g性的堅(jiān)固界面，從而顯著提高了柔性鈣鈦礦太陽能電池的機(jī)械穩(wěn)定性。添加HBPs粘結(jié)層的柔性鈣鈦礦太陽能電池實(shí)現(xiàn)了23.86%的高效率，并展現(xiàn)出優(yōu)異的抗彎折性能，在彎曲半徑為3 mm的條件下彎折10000次后，仍可以保持其初始效率的88.9%，遠(yuǎn)高于未添加粘結(jié)層的器件（35.5%）。同時(shí)枝狀分子中的分子空腔可以高效吸附Pb2+并阻擋H2O分子入侵，從而降低電池破損時(shí)的鉛泄露風(fēng)險(xiǎn)，提高柔性鈣鈦礦太陽能電池應(yīng)用的安全性。

基于此工作，李禎教授與航空學(xué)院張超教授合作，在Nature Communications上發(fā)表題為“Hyperbranched polymer functionalized flexible perovskite solar cells with mechanical robustness and reduced lead leakage”的論文。第一作者為我校航空學(xué)院博士研究生李志浩。

超支化聚合物（HBPs）粘合劑層與SnO2電子傳輸層和鈣鈦礦層的粘結(jié)效應(yīng)。（a）HBPs的分子結(jié)構(gòu)；（b）HBPs粘結(jié)SnO2和鈣鈦礦界面的示意圖；（c）器件的雙懸臂梁（DCB）試驗(yàn)示意圖；（d）標(biāo)件和HBPs修飾器件的界面斷裂能；（e）納米劃痕測試后鈣鈦礦薄膜的SEM圖；（f）1 cm2的最優(yōu)柔性器件的J-V曲線；（g）器件的有限元仿真模擬。

本文設(shè)計(jì)了一種柔性鈣鈦礦電池的界面修飾層，研究了枝狀界面修飾層與鈣鈦礦及SnO2的化學(xué)相互作用，比較了分子的線性或枝狀構(gòu)型對(duì)界面斷裂能的影響。通過力學(xué)-光電耦合測試，配合有限元分析，揭示了枝狀分子粘結(jié)層提升柔性器件機(jī)械性能的機(jī)理。最后展示了粘結(jié)層抑制鉛泄露的功能。枝狀分子粘結(jié)層為構(gòu)建高效、穩(wěn)定、安全的柔性鈣鈦礦光電器件提供了嶄新的思路。

該研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、航天動(dòng)力陜西實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目、測試中心等的資助支持。該研究的有效開展離不開西北工業(yè)大學(xué)陜西省沖擊動(dòng)力學(xué)及工程應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的平臺(tái)支持。