材料的韧性主要体现在能够承受有限变形并使高应力局部耗散的能力，否则会导致材料的灾难性破坏。然而，强度和韧性之间的矛盾在大多数材料中始终存在。大自然已经很好地发展了将脆性矿物和有机分子结合成具有优良抗断裂性的复合材料的能力。如骨和珍珠具有高度复杂的结构和分层设计，通过多维（从纳米到宏观）结构特征来提高其断裂韧性。在工程材料领域学习复制仿生结构的概念很受欢迎。然而，要在实际尺寸中实现多尺度层次结构，以实现合成材料的高强度和优秀的韧性，仍然是一个巨大的挑战。对于可穿戴电子设备而言，在保持优异光电性能的前提下需要强大的机械性能来克服其韧性和强度的冲突。最近的研究发现，有机-无机杂化钙钛矿材料为制造高性能的可穿戴式光电器件提供了很好的机会。基于它们的柔性器件不仅具有较高的功率转换效率，而且重量轻。但是，1%的断裂伸长率和一般低于50 MPa的断裂强度限制了钙钛矿薄膜在可穿戴电子设备中的应用。尽管一些工作试图提高钙钛矿薄膜的韧性，但同时提高钙钛矿薄膜的强度和韧性仍然是一个巨大的挑战。此外，光电材料要克服强度和韧性矛盾的同时保持优异的光电性能，这是一个值得深入研究的课题。
图基于透明质酸钠的钙钛矿薄膜在拉伸应力作用下的晶粒细分和晶粒滑移过程图。
鉴于此，我们通过晶粒滑移衍生网络拓扑显著提高柔性太阳能电池中钙钛矿薄膜的韧性与强度（如图）。通过将透明质酸钠引入有机金属卤化物钙钛矿薄膜中，能够在钙钛矿薄膜形变过程中观察到一种网络拓扑结构，这种结构大大提高了其强度和韧性。机制为拉伸应力下的晶粒滑移和晶粒细分能够耗散系统能量并赋予钙钛矿薄膜显著的韧性。同时，由透明质酸钠通过强相互作用连接的细分晶粒导致钙钛矿薄膜的高强度。结果导致钙钛矿薄膜表现出机械性能的显著增强，断裂伸长率从1.58%提高到 5.02%，断裂强度从23.13 MPa提高到55.25 MPa。值得注意的是，基于透明质酸钠的反式柔性钙钛矿太阳能电池的效率达到 20.01%，并在2 mm曲率半径下弯曲6000 次后，反式柔性钙钛矿太阳能电池的效率仍能保留初始效率的90%。这项工作设计了一种拓扑结构，以克服未来可能用于可穿戴电子产品中钙钛矿薄膜的韧性和强度之间的冲突。
这一成果近期发表在Advanced Energy Materials上，文章的第一作者是苏州大学博士后芦政，通讯作者为苏州大学邹贵付教授、苏晓东教授和娄艳辉教授。
论文信息：Grain-Slip Derived Network Topology to Remarkable Strength-Toughness Combination of Perovskite Film for Flexible Solar Cells
Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2202298 DOI: 10.1002/aenm.202202298
导师介绍：
邹贵付： https://www.x-mol.com/groups/Zou_Guifu