高熵材料因其独特的结构和性质，在多个领域展现出广泛的应用潜力。在高熵合金中，材料体系的熵效应使其产生了很多超越传统合金材料的优异性能。自高熵材料问世以来，其已从合金扩展到了氧化物、氮化物、碳化物、硫化物、硼化物等多种结构，这些材料通常涉及五种或更多元素按照等原子比或近等原子比的混合。然而，这些材料中的高熵效应都来源于无机成分混合带来的无序性，而利用有机组分的高混乱度来构建高熵结构尚未被探索。
鉴于此，研究人员探索了有机组分在构建高熵材料中的潜力，成功开发了一系列新型高熵有机-无机杂化钙钛矿材料。通过等摩尔量组装拥有不同烷基链长的有机阳离子获得了一种具有有序无机骨架和无序有机组分的杂化钙钛矿晶体结构，利用有机组分的高混乱度提高了该材料体系的熵。与单有机组分钙钛矿相比，这种高混乱度多有机组分的钙钛矿展现出了更优越的性能。研究人员通过改变有机阳离子的组合系统地研究了影响这一类材料熵增的因素，并建立了相应的理论模型。当将其应用于钙钛矿太阳能电池中时，基于高熵杂化钙钛矿的光伏器件相较于单组份器件其性能显著提高，能够实现25.7%（认证为25.5%）的光电转换效率。在连续光照运行1000小时后，基于高熵钙钛矿材料的电池可保持超过98%的初始光电转换效率，推算得出的T90寿命，可达5000小时以上。
值得注意的是，这类高熵材料的结构无序性使其可以作为一种通用性高且容错性强的策略，在各种情况下提高钙钛矿太阳能电池的性能，如不同组分、不同化学计量比偏差、不同薄膜加工工艺和器件结构的钙钛矿太阳能电池中。这有望提高光伏器件的良品率，对于提高未来工业批量生产中钙钛矿设备的产量至关重要。鉴于有机组分结构丰富性和可分子设计性，可能允许进一步扩展这种高熵混合材料家族，同时有望拓宽高熵材料的范畴，为材料科学领域开辟探索新材料的思路。随着对高熵钙钛矿材料结构和熵贡献机制的深入理解，研究人员期待着这种新材料为未来的光伏以及其他应用领域带来更多的惊喜和可能性。
该项研究成果于北京时间2024年7月1日，被国际著名期刊《自然·光子学》在线刊登。通讯作者为浙江大学薛晶晶研究员、西湖大学王睿研究员，浙江大学杭州国际科创中心邓天琪、浙江大学物理学院陆赟豪、西湖大学工学院王鸿飞、南方科技大学陈熹翰等为此工作提供了重要的理论和技术支持，浙大团队学术带头人杨德仁院士对此工作给予了重要指导和支持。浙江大学为该论文的第一单位。
研究人员首先通过设计多种有机阳离子的混合，极大增加了材料的构型熵，由此成功合成出一个由有序-无序混合的新型高熵结构。在这种结构中，无机铅碘八面体骨架呈现出周期性的堆叠，而中间的有机层则表现出无序性。研究人员利用X射线衍射（XRD）和核磁共振（NMR）光谱等技术确认了材料的单相结构和高熵特性。
为了深入理解高熵杂化钙钛矿材料的熵增效应，研究人员系统性地考察了影响高熵钙钛矿体系熵增的因素。通过对拥有不同阳离子的数量和烷基链长度的钙钛矿薄膜进行X射线衍射分析，研究人员发现增加A位阳离子的数量和烷基链长度有助于提高体系的熵值和相稳定性。
同时，研究团队建立了相关的理论模型。通过计算和实验相结合的方法，验证了材料中有机阳离子的多样性和链长对体系熵的正向贡献，这为理解和设计高熵材料提供了重要的理论指导。
得益于高熵结构的独特优势，基于该材料的光伏器件展现出了优异的光电性能，其光电转换效率高达25.7%，并在超过1000小时的运行后仍保持98%以上的初始效率。并且由于多种功能有机分子的存在，高熵钙钛矿的构建展现出高度的普适性和容错性，能够适应不同的钙钛矿组成和器件结构，在各种情况下提高钙钛矿太阳能电池的性能，这对于提高未来工业批量生产中钙钛矿器件的良品率提供了可能的新思路。
