稳定钙钛矿油墨用于大面积涂布制备高效钙钛矿组件

钙钛矿太阳能电池因功率转换效率高、制造成本低且可溶液加工，成为下一代光伏技术的有力竞争者，其中CsₓFA₁₋ₓPbI₃体系因热稳定性佳、带隙适配光捕获而获广泛应用。但传统2-甲氧基乙醇/二甲基亚砜溶剂油墨存在强配位诱导的聚集沉淀问题，货架期不足15分钟，严重制约规模化生产与器件可重复性。美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用AAA级LED太阳光模拟器作为老化光源，可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围，进行长期的稳定性能测试。

本研究针对这一痛点，通过调节溶剂配位强度与溶解性，发现“溶剂配位-分散平衡”是油墨稳定性的核心控制因素。最终开发出以N,N-二甲基甲酰胺（DMF）/N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）为溶剂的稳定钙钛矿油墨，其空气中货架期超10000分钟，且能通过刮涂制备出均匀性优异、缺陷密度低的钙钛矿薄膜。基于该油墨的环境制备p-i-n型钙钛矿迷你组件，孔径效率达23.5%（第三方认证22.84%），在65℃、1个太阳光照下连续工作1700小时后，仍保留99%初始效率，实现了高效与稳定的双重突破。

实验方法

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材料

主要原料包括PTAA、Al₂O₃纳米颗粒、PbI₂（99.999%）、BCP、2-ME、DMSO、DMF、NMP、LP、BHC、FAI、CsI等，均为市售高纯度产品，直接使用无需进一步纯化。

器件制备

所有步骤均在环境条件（25℃、30%相对湿度）下进行：ITO基板经清洗和紫外臭氧处理后，刮涂PTAA空穴传输层并退火；随后刮涂钙钛矿油墨（添加LP、p-F-PEAI等添加剂优化性能），经气刀处理后，2-ME/DMSO体系150℃退火5分钟，DMF/NMP体系120℃退火30分钟；最后热蒸发沉积LiF、C₆₀、BCP（85℃稳定性测试用SnOₓ替代）和Cu电极，完成封装。

表征测试

采用太阳能模拟器、吉时利源表测试J-V特性与PCE；通过DLS、FTIR、XRD、SEM、TOF-SIMS等分析油墨稳定性与薄膜结构；利用PL、EL成像、热导纳光谱等表征陷阱态与均匀性；依据ISOS-L-2标准进行稳定性测试。

钙钛矿油墨的稳定性突破

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(A)Cs₀.₁FA₀.₉PbI₃分别溶于2-ME/DMSO和DMF/NMP两种溶剂，在25℃、50%相对湿度下储存45分钟后的外观照片。(B)2-ME/DMSO体系油墨在不同储存时长下的DLS测试光谱，反映胶体尺寸变化。(C)2-ME/DMSO体系油墨在空气中储存时的FTIR测试结果，体现官能团相互作用。(D)从老化的Cs₀.₁FA₀.₉PbI₃2-ME/DMSO油墨中分离出沉淀的XRD图谱，插图为该沉淀的实物照片。(E)以2-ME为基础溶剂的Cs₀.₁FA₀.₉PbI₃钙钛矿溶液中，油墨货架期与配位溶剂给体数（Dₙ）的关联曲线。(F)PbI₂-DMSO和PbI₂-NMP两种沉淀在多种非配位溶剂中的溶解度对比。(G)DMF/NMP体系油墨在空气中储存时的FTIR测试结果

传统2-ME/DMSO油墨的不稳定性，根源在于DMSO与Pb²⁺的强配位作用——会形成PbI₂-DMSO复合物，导致15分钟内出现沉淀，45分钟后大量聚集。动态光散射（DLS）测试显示，新鲜油墨仅0.7nm的单一峰，10分钟后出现2nm和600nm双峰，表明微晶尺寸失控生长；红外光谱和X射线衍射（XRD）进一步证实，强配位作用是沉淀形成的直接原因。

研究发现，油墨稳定性与配位溶剂的给体数（Dₙ）呈线性负相关：Dₙ越高，配位越强，货架期越短。NMP的Dₙ（27.3kcal・mol⁻¹）低于DMSO（29.9kcal・mol⁻¹），配位作用适中，且DMF对PbI₂-NMP复合物的溶解度达1.4mol・L⁻¹，能有效分散配合物。二者按5.2:1体积比混合后，油墨在空气中45分钟仍无明显沉淀，DLS曲线保持单一峰，红外光谱无明显变化，稳定性大幅提升。

此外，DMF/NMP体系对溶剂比例适应性更广，即使高NMP含量，油墨也能长期保持透明分散；而2-ME/DMSO体系中，DMSO含量越高，沉淀聚集越快，进一步验证了新体系的优势。

高质量钙钛矿薄膜的可控制备

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(A)、(B)分别为2-ME/DMSO和DMF/NMP体系样品，在刮涂过程中随时间变化的UV-vis薄膜吸收光谱。(C)、(D)分别为2-ME/DMSO和DMF/NMP体系钙钛矿薄膜，在不同倾斜角度下的GIXRD图谱。(E)对GIXRD图谱2θ与sin²φ数据进行线性拟合的结果，反映薄膜残余应变。(F)沉积在玻璃基板上的两种体系钙钛矿薄膜的PL光谱。(G)、(H)分别为两种体系钙钛矿薄膜在约1个太阳光激发下（465nm蓝光发光二极管）的发光成像图，PLQE为光致发光量子效率

在环境条件（25℃、30%相对湿度）下刮涂制备薄膜时，DMF/NMP油墨展现出独特优势：其溶剂蒸发速率更适中，DMF沸点低易挥发，NMP与PbI₂的弱配位作用，能抑制快速过饱和与无序成核，让晶体生长更均匀。

原位紫外-可见（UV-Vis）吸收测试显示，DMF/NMP体系的中间相形成更平缓，6.8秒后吸收峰才向长波长偏移，而2-ME/DMSO体系仅3秒就出现突变，表明新体系结晶过程更可控。Avrami模型分析证实，DMF/NMP薄膜为二维生长（n=2.21），晶体沿多方向均匀延伸；而2-ME/DMSO薄膜为一维生长（n=1.63），易形成缺陷。

掠入射XRD和飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）测试显示，DMF/NMP薄膜残余压应力极小，Cs⁺分布均匀；而2-ME/DMSO薄膜存在明显压应力和Cs⁺富集梯度。光致发光（PL）测试中，新体系薄膜PL强度提升81%，发光成像无暗区，证实非辐射复合被显著抑制。即使油墨老化，DMF/NMP薄膜仍无针孔和PbI₂杂质生成，而2-ME/DMSO薄膜会出现明显降解。

器件性能与均匀性的全面提升

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(A)DMF/NMP体系PSC的横截面SEM图像。(B)2-ME/DMSO和DMF/NMP体系最优器件的J-V特性曲线。(C)两种体系器件的EQE曲线，反映不同波长光子的光电转换能力。(D)环境条件下，两种体系油墨的老化时间与对应电池功率转换效率（PCE）的关系曲线

基于DMF/NMP油墨构建的p-i-n结构器件（玻璃 / ITO / PTAA / Cs₀.₁FA₀.₉PbI₃ / C₆₀ / BCP / Cu），横截面扫描电子显微镜（SEM）显示钙钛矿层晶粒均匀、晶界少，电荷传输更顺畅。其最优器件开路电压（Vₒc）达1.19 V，短路电流密度（Jₛc）25.7 mA・cm⁻²，填充因子（FF）0.851，PCE超26 %（第三方认证26.05 %），远超2-ME/DMSO体系的21.9 %。

外量子效率（EQE）测试显示，新体系在400-800nm波长范围的光子-电流转换效率更高，电压损失仅0.34V。更重要的是，DMF/NMP油墨老化10080分钟后，器件PCE仍达25.8%，120天后仍保持25.5%；而2-ME/DMSO油墨老化超15分钟后，效率急剧下降。

(A)、(B)分别为2-ME/DMSO和DMF/NMP体系PSC的tDOS光谱和DLCP光谱。(C)两种体系PSC的EL强度随偏压施加时间的变化曲线。(D)基于25个随机选择区域的EL成像结果，统计得到的平均EL响应时间。(E)、(F)分别为2-ME/DMSO和DMF/NMP体系PSC的EL强度成像图，反映器件发光均匀性

陷阱态测试表明，DMF/NMP器件的总体陷阱密度显著降低，尤其是Iᵢ⁺缺陷减少，底部界面结晶度改善。电致发光（EL）成像显示，新体系器件发光均匀性好、响应速度快，证明薄膜微观质量更优，为高效稳定奠定基础。

稳定性与规模化应用验证

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(A)最大功率点（MPP）跟踪稳定性测试结果，初始PCE分别为20.7%（2-ME/DMSO）和25.3%（DMF/NMP）。(B)MPP跟踪稳定性测试结果，初始PCE分别为19.6%（2-ME/DMSO）和23.2%（DMF/NMP）(C)采用刮涂法在大面积ITO基板上制备的Cs₀.₁FA₀.₉PbI₃钙钛矿薄膜照片。(D)孔径面积为63.2cm²的封装钙钛矿迷你组件照片。(E)J-V曲线。(F)PCE分布情况

按照ISOS-L-2标准协议测试，DMF/NMP体系封装器件在65 ℃、50 %相对湿度下，1700小时最大功率点跟踪（MPPT）后仍保留99%初始效率；85 ℃高温测试中，1300小时后仍保持96.9 %效率，而2-ME/DMSO器件500小时后效率仅余43 %。

规模化制备方面，通过刮涂法在ITO基板上成功制备出面积约130cm²的均匀钙钛矿薄膜，并制成孔径面积10-60cm²的组件。其中12.6cm²迷你组件（6个子电池串联）的反向扫描PCE达23.5 %，Vₒc：7.23 V，Iₛc：50.0 mA，FF：0.818，活性面积效率达24.5 %。45个组件的测试显示，90 %以上PCE超21.0 %，可重复性优异，为工业化生产提供了可行方案。

本研究通过深入剖析钙钛矿油墨的稳定性机制，提出“配位-分散平衡”准则，成功开发出DMF/NMP基稳定油墨。该油墨不仅解决了传统体系的稳定性痛点，还能通过刮涂制备高质量薄膜，最终实现了环境制备钙钛矿组件的高效、长寿命与规模化兼容。这一突破为钙钛矿光伏技术的产业化应用扫清了关键障碍，具有重要的实际价值与推广意义。

钙钛矿复合式MPPT测试仪

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美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源，以其先进的技术和多功能设计，为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。

• 3A+光源，光源寿命10000h+，真实还原各场景实际光照条件

可选配恒温恒湿箱，满足IS0S标准

多型号电子负载可选，多通道独立运行

不同波段光谱输出可调：7.350-400nm/400-750nm/750-1150nm均独立可控

美能钙钛矿复合式MPPT测试仪主要应用于成品钙钛矿单结，叠层成品电池稳定性测试。由于钙钛矿电池的输出特性易受光照、温度等环境因素影响，其最大功率点会频繁波动。MPPT控制器通过实时追踪并锁定最大功率点，能确保系统始终以最优功率输出。这不仅能最大化发电量，还能提升整个光伏系统的工作稳定性和经济性。

原文参考：Stabilized perovskite ink for scalable coating enables high-efficiency perovskite modules

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