【供稿：材料科學與工程學院】近日，吉林大學材料科學與工程學院蔣青教授、王同輝教授團隊與香港城市大學任廣禹教授等團隊合作，將實驗研究與理論計算相結合，在倒置鈣鈦礦太陽能電池的空穴選擇性自組裝單分子層（SAMs）增韌與耐久性方向取得重要進展。研究成果以“Toughened self-assembled monolayers for durable perovskite solar cells”為題，于9月17日在線發表在《Nature》上。

由分子通過非共價或共價相互作用在基底表面自發形成的分子級薄膜，憑借其獨特的結構與功能優勢，成為解決鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）界面缺陷、能級失配等核心挑戰的關鍵材料。然而，SAMs的不穩定性及在基底上覆蓋的不均勻性將會降低器件的持久穩定性。特別是其結構中的柔性連接體周圍充足的自由空間易引起形變，嚴重影響PSCs的穩定性。

圖1 增韌型自組裝單分子層的分子設計與交聯機制

圍繞SAM不穩定性、覆蓋不均勻性以及外部應力下構象變化等問題，該研究創新性地引入含疊氮基團的可交聯客體JJ24，與主體CbzNaph形成交聯共SAM，從而增強SAM構象穩定性、抑制缺陷形成，優化界面能級匹配與電荷提取過程。JJ24中線性丙基連接體短于主體CbzNaph的丁基連接體，使其在填充空隙的同時，又能增強SAM間的范德華相互作用（圖1a，1b）。且該交聯反應具有有利的反應吉布斯自由能（-2.31 eV）和合適的能壘（1.13 eV）（圖1c），將共SAM在160℃下退火以激活疊氮基團，可以使CbzNaph與JJ24之間的交聯反應完全進行（圖1d）。JJ24通過磷酸基團間的氫鍵與烷基連接體間的范德華相互作用抑制膠束形成，保證SAM的均勻分散。

圖2 主-客體自組裝單分子層的分子動力學模擬

理論計算表明單一的CbzNaph分子因其柔性烷基鏈及與ITO之間較強的結合能更趨向于平躺在ITO基底上（圖2b），而非豎直式結合（圖2a）。而交聯SAM優化了分子取向，更趨向直立于ITO基底上（圖2c）。此外，JJ24的引入還提供了額外的錨定位點，顯著增強了SAM與基底的附著力。分子動力學模擬顯示，CbzNaph分子傾向于形成不完整的覆蓋（圖2d-f），而引入JJ24后，交聯SAM的分子傾斜角增大（圖2g-j），SAM分子分布勻性顯著提高，這有效避免了鈣鈦礦與ITO的直接接觸，降低了電荷復合與鈣鈦礦降解的風險。

圖3 PSCs的光伏性能

合作團隊基于交聯共SAM制備的最優器件獲得了26.98%能量轉換效率（PCE），認證效率高達26.92%（圖3a-c）。器件在最大功率點運行1000小時后，PCE幾乎無衰減（圖3d）。在環境大氣、黑暗條件下的反復熱循環穩定性測試表現優異，封裝后的器件在700次熱循環后，仍能保留98.2%的初始PCE值。

圖4 增韌型SAMs提高PSCs穩定性的機理研究

合作團隊對剝離的鈣鈦礦薄膜進行老化處理，交聯共SAM修飾的鈣鈦礦表面基本保持原始形貌（圖4a），且經N，N-二甲基甲酰胺清洗后，表面基本無變化（圖4b）。交聯共SAM具有更高的分子剛性與更致密的空間分布，可最大限度減少基底的暴露，抑制了界面非輻射復合（圖4c，4d），克服了長期限制器件性能與穩定性的關鍵難題。

該研究揭示了SAM基器件的不穩定性源于熱老化過程中SAM結構的破壞——SAM破壞導致基底暴露，并提出了一種新型交聯共SAM策略與原子尺度的機理解釋，有助于改善SAM分子的分散性和構象穩定性，以解決鈣鈦礦太陽能電池效率難以提升的科學難題，同時也為其他采用高粗糙度基底的SAM基器件提供了解決方案，對促進其商業化應用具有重要意義。

香港城市大學姜文林博士和曲歌平博士為共同第一作者。通訊作者為香港城市大學任廣禹教授、中國科學院深圳先進技術研究院張杰副研究員、吉林大學蔣青教授、香港嶺南大學吳圣釩教授。在吉林大學的研究工作得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金的資助。

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