这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告：

主要作者及研究机构

该研究由Shuai You、Hongwei Zhu、Zhongjin Shen等多名研究人员共同完成，研究团队来自多个机构，包括美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）、沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology）、英国纽卡斯尔大学（Newcastle University）等。该研究于2025年4月17日首次发表在《Science》期刊上，DOI为10.1126/science.adv4701。

学术背景

该研究的主要科学领域是有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿材料（organic-inorganic hybrid metal halide perovskite materials），特别是其在高效光伏器件中的应用。钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）因其高功率转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）和易于制备的特性，被认为是未来光伏技术的重要方向。然而，尽管单结倒置结构钙钛矿太阳能电池的PCE已超过26%，但其可扩展性和长期运行稳定性仍是商业化的重要障碍。

研究团队指出，C60分子是高性能倒置钙钛矿太阳能电池中电子传输层（Electron Transport Layer, ETL）的常用材料，但其分子特性导致界面结合较弱，影响了器件的长期稳定性。为了解决这一问题，研究团队开发了一种新型的离子盐材料——4-(1',5′-二氢-1'-甲基-2'H-[5,6]富勒烯-C60-ih-[1,9-c]吡咯-2'-基)苯甲胺氯化物（简称CPMAC），并研究了其在倒置钙钛矿太阳能电池中的应用。

研究流程

研究流程包括以下几个主要步骤：

1. CPMAC的合成

   研究团队使用N-甲基甘氨酸、叔丁基4-甲酰基苄基氨基甲酸酯和盐酸与C60反应，生成了CPMAC离子盐。这一过程通过Prato反应和叔丁基氨基甲酸酯脱保护反应完成。合成后的CPMAC通过核磁共振（NMR）、高分辨率质谱（HRMS）等手段进行了表征。

2. CPMAC在钙钛矿太阳能电池中的应用

   研究团队将CPMAC作为电子传输层应用于倒置钙钛矿太阳能电池中，并对其性能进行了系统测试。实验包括：

   • 界面优化：通过密度泛函理论（DFT）计算，研究团队发现CPMAC中的CH2-NH3+基团能够填充钙钛矿表面的甲脒（FA）空位或替代FA离子，从而形成离子键，增强界面结合。

   • 器件制备：研究团队制备了基于CPMAC的倒置钙钛矿太阳能电池，并与传统的C60基器件进行了对比。

   • 光电性能测试：通过光致发光（PL）成像、开尔文探针力显微镜（KPFM）、时间分辨微波电导率（TRMC）等手段，研究了CPMAC对钙钛矿薄膜的光电性能影响。

   • 机械性能测试：通过双悬臂梁测试（Double Cantilever Beam Test）测量了器件的断裂能（Gc），评估了CPMAC对器件机械稳定性的影响。

3. 模块化应用

   研究团队还开发了基于CPMAC的钙钛矿太阳能模块（Perovskite Solar Modules, PSMs），并对其性能进行了测试。实验包括：

   • 模块制备：通过刮涂法制备了钙钛矿薄膜，并组装成包含四个子电池的模块。

   • 性能测试：测试了模块的PCE、开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）等参数，并评估了其长期运行稳定性。

主要结果

1. CPMAC的合成与表征

   研究团队成功合成了CPMAC离子盐，并通过NMR、HRMS等手段验证了其结构。DFT计算表明，CPMAC能够通过离子键与钙钛矿表面结合，显著增强了界面稳定性。

2. 光电性能提升

   基于CPMAC的倒置钙钛矿太阳能电池表现出优异的性能，PCE达到26.1%，高于C60基器件的25.5%。此外，CPMAC基器件的开路电压（Voc）和填充因子（FF）也有所提升，表明其界面优化效果显著。

3. 机械稳定性增强

   双悬臂梁测试结果表明，CPMAC基器件的断裂能（Gc）为1.43 ± 0.03 J m–2，是C60基器件的3倍，表明其机械稳定性显著提高。

4. 模块化应用性能

   基于CPMAC的钙钛矿太阳能模块表现出优异的性能，PCE达到23.2%，且在2200小时的运行测试中，PCE仅下降了9%，远优于C60基模块。

结论

该研究通过开发新型CPMAC离子盐，成功解决了倒置钙钛矿太阳能电池中C60分子界面结合较弱的问题，显著提升了器件的性能和长期稳定性。研究结果表明，CPMAC不仅能够通过离子键增强界面结合，还能有效提高器件的机械稳定性和光电性能。此外，基于CPMAC的钙钛矿太阳能模块表现出优异的性能，为其商业化应用提供了重要支持。

研究亮点

1. 新型材料开发：研究团队首次合成了CPMAC离子盐，并证明了其在钙钛矿太阳能电池中的优异性能。

2. 界面优化：通过DFT计算和实验验证，CPMAC能够通过离子键与钙钛矿表面结合，显著增强了界面稳定性。

3. 机械稳定性提升：CPMAC基器件的断裂能是C60基器件的3倍，表明其机械稳定性显著提高。

4. 模块化应用：基于CPMAC的钙钛矿太阳能模块表现出优异的性能和长期稳定性，为其商业化应用提供了重要支持。

其他有价值的内容

研究团队还通过多种实验手段（如PL成像、KPFM、TRMC等）对CPMAC的光电性能进行了系统研究，并通过双悬臂梁测试评估了其机械性能。这些实验结果不仅验证了CPMAC的优异性能，还为未来钙钛矿太阳能电池的材料设计提供了重要参考。