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具有高光电转换效率和高功率质量比的优点，能够满足未来飞行器对太阳能电池轻量化和柔性化的需求。作为一种典型的多层结构，钙钛矿太阳能电池的钙钛矿薄膜和相邻功能层之间的界面断裂能GC较低（通常＜1.5 J·m−2），实际服役中太阳能电池会遭受各种复杂的形变，各功能层之间易发生分层失效，导致光电性能的退化。因此，引入具有优异力学性能的界面粘结层来提高层间粘附力是提升柔性钙钛矿太阳能电池机械稳定性的有效策略之一。
针对上述问题，航空学院张超教授和材料学院李祯教授合作设计了一种具有树枝状分子结构和氢键互补单元的超支化聚合物（HBPs），将其用于高性能柔性钙钛矿太阳能电池的层间“粘合剂”，将脆弱的SnO2/钙钛矿界面转变为具有高断裂韧性的坚固界面，显著提高了柔性钙钛矿太阳能电池的机械稳定性。HBPs粘结剂中通过动态氢键形成的分子链段网络构建了独特的SnO2/钙钛矿界面结构，可有效延缓初始裂纹的产生和抑制裂纹扩展，避免功能层剥离失效。有限元仿真分析表明，HBPs粘结剂作为界面缓冲层还能够降低弯曲载荷下功能层所承受的应力，促进柔性钙钛矿太阳能电池机械稳定性的提升。基于HBPs修饰的柔性钙钛矿太阳能电池在3 mm弯曲半径下进行10000次机械弯曲循环后保持其初始PCE的88.9%，远高于未修饰器件的35.5%，展现了优异的力学稳定性。
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。
该研究获得了自然科学基金、空天动力陕西实验室开放基金等资助支持。研究的开展也离不开陕西省冲击动力学及工程应用重点实验室、陕西省石墨烯联合实验室以及省、校分析测试中心等平台的支持。
通讯作者简介：
张超，教授/博导，民航学院副院长，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。累计发表SCI论文110余篇，其中ESI高被引论文2篇，引用3000余次，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）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。主要从事柔性钙钛矿太阳能电池相关的应用基础研究，在《Nat. Rev. Mater.》《Energy Environ. Sci.》《Adv. Energy Mater.》《ACS Nano》等能源和材料领域的重要国际期刊累计发表SCI论文100余篇，其中ESI高被引论文9篇，论文引用15000余次，H因子49；主持国家自然科学基金面上、空天动力陕西实验室课题等项目10余项。担任中国能源学会新能源专委会委员和物理化学学报青年编委等学术兼职。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41931-1
