柔性钙钛矿太阳能电池（FPSCs）在可穿戴设备、太阳能无人机等应用领域展现出广阔的前景。然而，在实际使用环境中，高湿度空气会加速钙钛矿材料的降解和相变，加速晶界裂纹扩展，引发薄膜断裂或界面剥离失效，最终导致电池的光电性能出现不可逆的衰减。

针对上述问题，西北工业大学材料学院纳米能源材料研究中心李祯教授课题组以贻贝利用多巴胺基团在水下保持牢固粘附的特性为灵感，设计了一种超支化多巴胺基聚合物（HPDA），结合了超支化聚合物中的多支化结构和丰富的多巴胺基团，在三维方向上锚定钙钛矿晶粒，以强粘附力粘合钙钛矿晶粒及基体，抑制了FPSCs在湿度与机械应力的共同作用下的快速衰减，显著提升电池在高湿度下的机械稳定性。经HPDA修饰后的柔性器件实现了24.43%的效率，暴露于65%湿度下，弯折一万次后仍能保持初始效率的94.1%。

基于此工作，材料学院李祯教授与航空学院张超教授、河南大学李萌教授合作，在Nat Commun上发表题为“Boosting mechanical durability under high humidity by bioinspired multisite polymer for high-efficiency flexible perovskite solar cells”的论文(DOI: 10.1038/s41467-025-57102-3)。论文第一作者为李志浩博士。

图1. 超支化多巴胺基聚合物（HPDA）的湿粘附性能。（a）超支化多巴胺基聚合物在钙钛矿中构建多点锚定结构实现湿度增强的示意图；（b）HPDA剪切应力曲线；（c）水中粘结强度增强效果；（d）红外光谱展示HPDA与PbI2的强化学作用；（e）XPS展示HPDA与Pb2+离子的配位作用。

图2. 钙钛矿薄膜的形貌变化和HPDA在薄膜中的空间分布。（a）标件和（b）HPDA改性钙钛矿薄膜的SEM照片；（c）横截面SEM照片；（d）HPDA改性后太阳能电池的横截面TEM照片；（e）标件和（f）HPDA改性后钙钛矿薄膜在不同角度（从0°到55°）下的掠入射X射线衍射（GIXRD）光谱；（g）晶格间距d（012）与sin2（Ψ）的拟合曲线表明HPDA修饰后薄膜内应力释放；（h）标件和（i）钙钛矿薄膜顶部和底部扫描热显微镜表征的热导率分布图，低热导率区为聚合物集中区。比例尺：400 nm。

图3. 钙钛矿太阳能电池的光伏性能和光电特性表征。（a）标件和HPDA修饰后器件的J-V曲线；（b）器件的稳定输出曲线；（c）器件的外量子效率曲线；（d）柔性器件的J-V曲线；（e）柔性器件的光照稳定性；（f）Mott-Schottky曲线；（g）钙钛矿薄膜的SCLC测试；（h）缺陷态密度表征。

图4. 湿度对钙钛矿薄膜机械性能的影响。（a）基底、标件和HPDA改性的钙钛矿薄膜的载荷－应变曲线；（b）钙钛矿薄膜的纳米压痕载荷-位移曲线随湿度环境暴露时间的变化趋势；（c）湿度老化前后太阳能电池的断裂能变化；（d）原始钙钛矿薄膜的晶间断裂模式；（e，f）新鲜和老化的标件PSC的断裂表面的SEM图像；（g）HPDA改性薄膜的界面断裂模式；（h，i）新鲜和老化的HPDA改性PSC的断裂表面的SEM图像。

图5. 机械形变对钙钛矿湿度稳定性的影响。（a）不同应力条件下的钙钛矿薄膜高湿度环境下的老化过程表明拉应力加速薄膜的分解趋势；（b）标件和HPDA改性的FPSCs在40%～50%湿度下的环境稳定性；（c）标件和（d）HPDA改性钙钛矿薄膜在85%湿度下进行5万次弯折过程中的PL光谱变化；（e）FPSCs在湿度环境下弯折1万次的效率衰减趋势表明HPDA增强钙钛矿在潮湿环境下的机械稳定性；（f）标件和HPDA改性钙钛矿薄膜的水浸试验；（g）钙钛矿薄膜弯折不同次数后的铅泄露速率对比。

本文设计一种具有湿粘附特性的超支化多巴胺聚合物（HPDA），研究了多巴胺锚定位点与钙钛矿体相以及界面的相互作用，通过力－光－电耦合测试，揭示了超支化聚合物在高湿度环境下提升柔性器件机械性能的机理。这项工作为开发在真实环境下能保持正常工作的高效稳定柔性钙钛矿光伏器件提供了一种全新的思路。

来源：西北工业大学

DOI: doi.org/10.1038/s41467-025-57102-3