93后博导联手，最新Nature Photonics!
薛晶晶，1993年出生，浙江大学材料科学与工程学院、硅材料国家重点实验室“百人计划”研究员、博士生导师。入选国家级青年人才、《麻省理工科技评论》亚太区“35岁以下科技创新35人” (MIT Technology Review "Innovators Under 35”, Pacific Asian）、福布斯中国30岁以下精英榜（Forbes China 30 under 30）。2016年9月于南京大学化学化工学院取得学士学位，2020年5月于加州大学洛杉矶分校材料科学与工程学院取得博士学位，师从半导体光电材料与器件领域国际著名学者Yang Yang教授，期间曾赴斯坦福大学材料科学与工程学院崔屹教授课题组访学，博士毕业后在加州大学洛杉矶分校继续博士后研究工作。于2021年全职加入浙江大学材料科学与工程学院。目前主要从事金属卤化物钙钛矿光电材料与器件研究。先后共发表SCI论文40余篇，其中以第一或通讯作者在Science (2篇)、Nature (2篇)、Nat. Photonics (2篇)、Nat. Energy、Nat. Comm.、Nat. Rev. Mater.、Adv. Mater. (2篇)、Joule (3篇)、J. Am. Chem. Soc. (2篇) 等期刊发表学术论文近20篇。多篇论文入选ESI热点和高被引论文，成果曾受到包括科学美国人、福布斯等多家国际知名媒体的广泛报道。长期担任Joule, Nat. Comm., Energ. Environ. Sci., J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., ACS Nano, ACS Energy Lett.等国际著名期刊审稿人。王睿，西湖大学工学院助理教授，独立PI，1993年生，辽宁锦州人，2015年获吉林大学工学学士学位，2016年获加州大学伯克利分校硕士学位。2016.9-2019.12就读于加州大学洛杉矶分校，师从Yang Yang教授，获博士学位。随后在加州大学洛杉矶分校继续博士后研究工作。2021年4月全职加入西湖大学工学院。曾入选福布斯中国及亚太30岁以下30人，以及麻省理工科技评论全球科技创新35人等。王睿博士长期从事第三代太阳能电池的研究工作，曾以第一作者或通讯作者身份在Nature (2篇)，Science (2篇)，Nature Photonics, Joule，Advanced Materials，JACS，Matter，Nano Letters等旗舰杂志发表论文26篇，研究成果被包括科学美国人，福布斯等多家知名媒体报道。高度无序的多组分系统，最近被称为高熵材料，引起了越来越多的关注。与单个成分相比，由无序的多个成分组成的高熵材料可以表现出增强的材料性能。尽管基于混合无机组分的构型无序已经开发了各种高熵材料，但有机部分对于高熵结构的潜力仍未得到充分开发。
基于此，浙江大学薛晶晶、西湖大学王睿报告了一系列用于光伏应用的高熵有机-无机杂化钙钛矿。通过将不同的A位有机阳离子与不同的烷基链混合，他们获得了具有有序无机骨架和无序有机部分的杂化晶体结构，从而导致熵增加。与单组分对应物相比，混合钙钛矿表现出优异的性能，包括增强的结构转变和热应力恢复能力。当用于太阳能电池时，高熵混合钙钛矿可使倒置电池架构的功率转换效率达到25.7%（经认证为25.5%）。在连续照明(AM1.5G)下运行1000小时后，电池仍保留超过98%的初始功率转换效率，线性外推至5040小时的T90值。特别是，此类高熵材料的结构无序还可以减少各种钙钛矿成分、化学计量偏差、薄膜加工历史和器件架构的非辐射复合。因此，这种通用且容错的策略可以有利于未来工业大规模生产中钙钛矿太阳能电池的产量。鉴于有机部分和混合配置的丰富化学性质，这项工作也可能为调整用于光电应用的钙钛矿材料的稳定性和光电性能提供更多机会。相关研究成果以题为“High-entropy hybrid perovskites with disordered organic moieties for perovskite solar cells”发表在最新一期《Nature Photonics》上。HEHP的构建涉及使用不同的A位铵阳离子（3C、4C、5C、6C、8C、10C和12C）。单A位组分薄膜表现出明确的衍射图案，表明单相形成。混合阳离子（例如4C和12C）产生混合相，而多种阳离子（4/6/8/10/12C）的等摩尔混合产生单相钙钛矿结构，这通过纯XRD峰和瞬态吸收光谱证实（图1a-d）。单晶分析揭示了有序的无机骨架和无序的有机夹层。层间晶格距离与组成阳离子的平均值相匹配，表明完全混合的高熵相。核磁共振波谱证实了结构中多种有机阳离子的共存（图1e-g）。与单组分（SC）钙钛矿相比，HEHP在高温下表现出优异的相稳定性。SC钙钛矿中热分解为PbI2的现象更为明显，突出了高构型熵对吉布斯自由能的贡献，吉布斯自由能在较高温度下增强。玻尔兹曼的假设表明构型熵取决于组成A位阳离子的数量。增加阳离子数量可提高相纯度和稳定性。例如，4/5/12C钙钛矿表现出混合相，而4/5/6/12C开始表现出单相特征。由五种阳离子（4/5/6/8/12C）形成的全单相钙钛矿，类似于高熵合金。烷基铵阳离子中σ键的灵活性也有助于熵增益。用较长的链代替较短的链导致单相钙钛矿的形成并延迟热分解成PbI2，这表明链柔性引起的熵增益（图2a-d）。HEHP材料中的构型熵使用圆柱体装配模型进行建模，并考虑面内(x-y)和面外（z轴）布置。构型熵𝑆表示为A位阳离子数量(n)和链长(d)的函数。从头算分子动力学模拟证实，较长的烷基链会增加熵，进一步验证了链长与熵之间的正相关性（图3a-b）。HEHP改性的光伏钙钛矿薄膜表现出优异的耐水性，与对照薄膜相比具有更大的接触角。随着时间的推移，HEHP薄膜更好地保持其疏水性，表明结构坚固性增强。耐湿热测试表明，HEHP薄膜在老化后仍保持其黑相和吸收起始，而SC钙钛矿薄膜则显着降解。在太阳能电池中采用HEHP将功率转换效率(PCE)从22.2%提高到25.0%，这归因于非辐射复合的减少和界面的改进。HEHP在减少电子紊乱方面比SC的优越性在各种钙钛矿成分和化学计量中是显而易见的。HEHP修饰的器件还表现出增强的稳定性，在连续照明1,000小时后保留了98%以上的初始PCE，并且外推T90值为5,040小时。在这项工作中，作者利用有机部分的无序性，通过融合多个A位有机阳离子来展示HEHP。他们构建的HEHP可能属于高熵材料的独特类别，其特点是有序-无序混合结构。HEHP在光伏电池中的应用既提高了PCE，也提高了设备稳定性。发现HEHP的构造适用于不同的钙钛矿组合物和设备架构。它可以作为一种高度通用且容错的策略，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设备的产量至关重要。有机部分和混合配置中的丰富化学性质可能允许进一步扩展这种高熵混合材料家族。