在过去几年中，随着高熵材料的兴起，这一新兴领域吸引了广泛的关注。高熵材料是指由多种混合组分构成、具有高度无序性的材料系统，其展现出超出传统直觉的优异性能。传统上人们认为混合物的性质应该是其组成成分的平均值，然而高熵材料却通过增加混乱程度而获得了意想不到的性能提升，这一现象引发了科学界的极大兴趣。高熵合金和氧化物最早被广泛研究，它们表现出在极端温度条件下单相稳定性、缓慢的反应动力学和优良的机械性能等独特特性。随后，高熵材料的研究范围扩展到了氮化物、碳化物、硫化物和硼化物等不同化学体系，这些材料同样通过近等摩尔比的混合来增加熵值，从而获得优越的性能。尽管如此，目前大部分高熵材料的熵增益主要归因于其混合的无机组分的构型失序，而有机基团在高熵结构中的潜力尚未被充分开发和探索。有机-无机混合材料作为一种新兴的材料设计策略，具有丰富的化学多样性和结构灵活性，然而其在高熵材料领域的应用和效果仍属未知。为了填补这一研究空白，浙江大学薛晶晶教授，西湖大学王睿教授团队在“Nature Photonics”期刊上发表了题为“High-entropy hybrid perovskites with disordered organic moieties for perovskite solar cells”的最新论文。本研究团队探索了一类有机-无机混合高熵钙钛矿材料。通过混合不同类型的A位有机阳离子和多种烷基链，作者构建了一种新型的高熵混合钙钛矿结构。这种结构不仅保持了高熵材料的基本特征，即高度无序性和复杂性，同时还引入了有机基团的熵效应。作者的研究揭示了这些材料在单晶水平上的结构特征，证实了其混合晶体结构：有序的无机框架与无序的有机基团相结合。 在太阳能电池应用方面，作者发现这种高熵混合钙钛矿材料在反转器件结构中表现出了卓越的性能。其最大光电转换效率达到了25.7%，并且在连续照明下操作1,000小时后，电池仍保持了超过98%的初始效率，具有线性外推到5,040小时的长期稳定性。与传统的单组分钙钛矿相比，作者的高熵混合钙钛矿展现出了显著的优势，特别是在应对不同钙钛矿组成、化学计量偏差、薄膜处理历史和器件结构等多种复杂条件下，依然能够稳定提升器件性能。
研究亮点
（1）实验首次探索了有机-无机混合高熵钙钛矿材料，引入无序的有机基团以增加熵值。（2）实验通过混合多种类型的A位有机阳离子和不同烷基链，构建了一种名为高熵混合钙钛矿（HEHP）的材料。HEHP具有单相结构，其稳定性在高温条件下得到显著提升，这一结果为新型高熵材料的设计和开发提供了新思路。 （3）通过详细的单晶结构分析和柱形装配模型的建立，揭示了HEHP的混合晶体结构：有序的无机框架与无序的有机基团相结合。这些结果不仅扩展了高熵材料的应用范围，也为其性能优化提供了理论基础和实验支持。（4）在应用方面，HEHP在反转器件结构的太阳能电池中表现出卓越的性能，最高光电转换效率达到25.7%，并展示出超过5,000小时的稳定性，这证明了HEHP作为一种通用且容错的材料设计策略的潜力。
图文解读
图1 | 高熵混合钙钛矿high-entropy hybrid perovskite，HEHPs薄膜构造。图3 | 高熵混合钙钛矿HEHP材料的理论模型示意图。
科学启迪
这项研究揭示了利用有机基团的无序性构建高熵材料的新策略，并将其成功应用于光伏领域，展示了其在提高性能和稳定性方面的潜力。通过融合多种A位有机阳离子，作者创造性地设计了一种有序-无序混合结构的高熵混合钙钛矿（HEHP），在光电转换效率和器件寿命方面取得了显著进展。这种策略不仅在各种钙钛矿组成和器件架构下都表现出色，还为未来工业化生产提供了一种可行的通用解决方案，能够有效提升产量和优化性能。此外，有机基团丰富的化学性质和混合构型的灵活性为进一步拓展高熵混合材料的应用提供了新的可能性。总体而言，本研究为材料科学和能源技术领域提供了重要的科学启示，强调了在设计复杂材料结构时利用有机-无机混合策略的价值，并为未来的材料设计和应用研究开辟了新的思路和方向。 Tian, Y., Zhang, X., Zhao, K. et al. High-entropy hybrid perovskites with disordered organic moieties for perovskite solar cells. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01468-1
