近日，美高梅mgm1888网站蒋青教授、王同辉教授团队与香港城市大学任广禹教授等团队合作，将实验研究与理论计算相结合，在倒置钙钛矿太阳能电池的空穴选择性自组装单分子层（SAMs）增韧与耐久性方向取得重要进展。研究成果以“Toughened self-assembled monolayers for durable perovskite solar cells”为题，于2025年9月17日在线发表在《Nature》上。

由分子通过非共价或共价相互作用在基底表面自发形成的分子级薄膜，凭借其独特的结构与功能优势，成为解决钙钛矿太阳能电池（PSCs）界面缺陷、能级失配等核心挑战的关键材料。然而，SAMs的不稳定性及在基底上覆盖的不均匀性将会降低器件的持久稳定性。特别是其结构中的柔性连接体周围充足的自由空间易引起形变，严重影响PSCs的稳定性。

围绕SAM不稳定性、覆盖不均匀性以及外部应力下构象变化等问题，该研究创新性地引入含叠氮基团的可交联客体JJ24，与主体CbzNaph形成交联共SAM，从而增强SAM构象稳定性、抑制缺陷形成，优化界面能级匹配与电荷提取过程。JJ24中线性丙基连接体短于主体CbzNaph的丁基连接体，使其在填充空隙的同时，又能增强SAM间的范德华相互作用（图1a，1b）。且该交联反应具有有利的反应吉布斯自由能（-2.31 eV）和合适的能垒（1.13 eV）（图1c），将共SAM在160℃下退火以激活叠氮基团，可以使CbzNaph与JJ24之间的交联反应完全进行（图1d）。JJ24通过磷酸基团间的氢键与烷基连接体间的范德华相互作用抑制胶束形成，保证SAM的均匀分散。

图1. 增韧型自组装单分子层的分子设计与交联机制。

理论计算表明单一的CbzNaph分子因其柔性烷基链及与ITO之间较强的结合能更趋向于平躺在ITO基底上（图2b），而非竖直式结合（图2a）。而交联SAM优化了分子取向，更趋向直立于ITO基底上（图2c）。此外，JJ24的引入还提供了额外的锚定位点，显著增强了SAM与基底的附着力。分子动力学模拟显示，CbzNaph分子倾向于形成不完整的覆盖（图2d-f），而引入JJ24后，交联SAM的分子倾斜角增大（图2g-j），SAM分子分布匀性显著提高，这有效避免了钙钛矿与ITO的直接接触，降低了电荷复合与钙钛矿降解的风险。

图2. 主-客体自组装单分子层的分子动力学模拟

合作团队基于交联共SAM制备的最优器件获得了26.98%能量转换效率（PCE），认证效率高达26.92%（图3a-c）。器件在最大功率点运行1000小时后，PCE几乎无衰减（图3d）。在环境大气、黑暗条件下的反复热循环稳定性测试表现优异，封装后的器件在700次热循环后，仍能保留98.2%的初始PCE值。

图3. PSCs的光伏性能

合作团队对剥离的钙钛矿薄膜进行老化处理，交联共SAM修饰的钙钛矿表面基本保持原始形貌（图4a），且经N，N-二甲基甲酰胺清洗后，表面基本无变化（图4b）。交联共SAM具有更高的分子刚性与更致密的空间分布，可最大限度减少基底的暴露，抑制了界面非辐射复合（图4c，4d），克服了长期限制器件性能与稳定性的关键难题。

图4. 增韧型SAMs提高PSCs稳定性的机理研究

该研究揭示了SAM基器件的不稳定性源于热老化过程中SAM结构的破坏——SAM破坏导致基底暴露，并提出了一种新型交联共SAM策略与原子尺度的机理解释，有助于改善SAM分子的分散性和构象稳定性，以解决钙钛矿太阳能电池效率难以提升的科学难题，同时也为其他采用高粗糙度基底的SAM基器件提供了解决方案，对促进其商业化应用具有重要意义。

香港城市大学姜文林博士和曲歌平博士为共同第一作者。通讯作者为香港城市大学任广禹教授、中国科学院深圳先进技术研究院张杰副研究员、美高梅mgm最新登录入口蒋青教授、香港岭南大学吴圣钒教授。在美高梅mgm最新登录入口的研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09509-7