鈣鈦礦太陽能電池因功率轉(zhuǎn)換效率高、制造成本低且可溶液加工，成為下一代光伏技術(shù)的有力競爭者，其中Cs?FA???PbI?體系因熱穩(wěn)定性佳、帶隙適配光捕獲而獲廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)2-甲氧基乙醇/二甲基亞砜溶劑油墨存在強(qiáng)配位誘導(dǎo)的聚集沉淀問題，貨架期不足15分鐘，嚴(yán)重制約規(guī)模化生產(chǎn)與器件可重復(fù)性。美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀采用AAA級LED太陽光模擬器作為老化光源，可通過多種方式對電池進(jìn)行控溫并控制電池所處的環(huán)境氛圍，進(jìn)行長期的穩(wěn)定性能測試。

本研究針對這一痛點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)溶劑配位強(qiáng)度與溶解性，發(fā)現(xiàn)“溶劑配位-分散平衡”是油墨穩(wěn)定性的核心控制因素。最終開發(fā)出以N,N-二甲基甲酰胺（DMF）/N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）為溶劑的穩(wěn)定鈣鈦礦油墨，其空氣中貨架期超10000分鐘，且能通過刮涂制備出均勻性優(yōu)異、缺陷密度低的鈣鈦礦薄膜?；谠撚湍沫h(huán)境制備p-i-n型鈣鈦礦迷你組件，孔徑效率達(dá)23.5%（第三方認(rèn)證22.84%），在65℃、1個太陽光照下連續(xù)工作1700小時后，仍保留99%初始效率，實(shí)現(xiàn)了高效與穩(wěn)定的雙重突破。

實(shí)驗(yàn)方法

Millennial Solar

材料

主要原料包括PTAA、Al?O?納米顆粒、PbI?（99.999%）、BCP、2-ME、DMSO、DMF、NMP、LP、BHC、FAI、CsI等，均為市售高純度產(chǎn)品，直接使用無需進(jìn)一步純化。

器件制備

所有步驟均在環(huán)境條件（25℃、30%相對濕度）下進(jìn)行：ITO基板經(jīng)清洗和紫外臭氧處理后，刮涂PTAA空穴傳輸層并退火；隨后刮涂鈣鈦礦油墨（添加LP、p-F-PEAI等添加劑優(yōu)化性能），經(jīng)氣刀處理后，2-ME/DMSO體系150℃退火5分鐘，DMF/NMP體系120℃退火30分鐘；最后熱蒸發(fā)沉積LiF、C??、BCP（85℃穩(wěn)定性測試用SnO?替代）和Cu電極，完成封裝。

表征測試

采用太陽能模擬器、吉時利源表測試J-V特性與PCE；通過DLS、FTIR、XRD、SEM、TOF-SIMS等分析油墨穩(wěn)定性與薄膜結(jié)構(gòu)；利用PL、EL成像、熱導(dǎo)納光譜等表征陷阱態(tài)與均勻性；依據(jù)ISOS-L-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)定性測試。

鈣鈦礦油墨的穩(wěn)定性突破

Millennial Solar

(A)Cs?.?FA?.?PbI?分別溶于2-ME/DMSO和DMF/NMP兩種溶劑，在25℃、50%相對濕度下儲存45分鐘后的外觀照片。(B)2-ME/DMSO體系油墨在不同儲存時長下的DLS測試光譜，反映膠體尺寸變化。(C)2-ME/DMSO體系油墨在空氣中儲存時的FTIR測試結(jié)果，體現(xiàn)官能團(tuán)相互作用。(D)從老化的Cs?.?FA?.?PbI?2-ME/DMSO油墨中分離出沉淀的XRD圖譜，插圖為該沉淀的實(shí)物照片。(E)以2-ME為基礎(chǔ)溶劑的Cs?.?FA?.?PbI?鈣鈦礦溶液中，油墨貨架期與配位溶劑給體數(shù)（D?）的關(guān)聯(lián)曲線。(F)PbI?-DMSO和PbI?-NMP兩種沉淀在多種非配位溶劑中的溶解度對比。(G)DMF/NMP體系油墨在空氣中儲存時的FTIR測試結(jié)果

傳統(tǒng)2-ME/DMSO油墨的不穩(wěn)定性，根源在于DMSO與Pb2?的強(qiáng)配位作用——會形成PbI?-DMSO復(fù)合物，導(dǎo)致15分鐘內(nèi)出現(xiàn)沉淀，45分鐘后大量聚集。動態(tài)光散射（DLS）測試顯示，新鮮油墨僅0.7nm的單一峰，10分鐘后出現(xiàn)2nm和600nm雙峰，表明微晶尺寸失控生長；紅外光譜和X射線衍射（XRD）進(jìn)一步證實(shí)，強(qiáng)配位作用是沉淀形成的直接原因。

研究發(fā)現(xiàn)，油墨穩(wěn)定性與配位溶劑的給體數(shù)（D?）呈線性負(fù)相關(guān)：D?越高，配位越強(qiáng)，貨架期越短。NMP的D?（27.3kcal?mol?1）低于DMSO（29.9kcal?mol?1），配位作用適中，且DMF對PbI?-NMP復(fù)合物的溶解度達(dá)1.4mol?L?1，能有效分散配合物。二者按5.2:1體積比混合后，油墨在空氣中45分鐘仍無明顯沉淀，DLS曲線保持單一峰，紅外光譜無明顯變化，穩(wěn)定性大幅提升。

此外，DMF/NMP體系對溶劑比例適應(yīng)性更廣，即使高NMP含量，油墨也能長期保持透明分散；而2-ME/DMSO體系中，DMSO含量越高，沉淀聚集越快，進(jìn)一步驗(yàn)證了新體系的優(yōu)勢。

高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的可控制備

Millennial Solar

(A)、(B)分別為2-ME/DMSO和DMF/NMP體系樣品，在刮涂過程中隨時間變化的UV-vis薄膜吸收光譜。(C)、(D)分別為2-ME/DMSO和DMF/NMP體系鈣鈦礦薄膜，在不同傾斜角度下的GIXRD圖譜。(E)對GIXRD圖譜2θ與sin2φ數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合的結(jié)果，反映薄膜殘余應(yīng)變。(F)沉積在玻璃基板上的兩種體系鈣鈦礦薄膜的PL光譜。(G)、(H)分別為兩種體系鈣鈦礦薄膜在約1個太陽光激發(fā)下（465nm藍(lán)光發(fā)光二極管）的發(fā)光成像圖，PLQE為光致發(fā)光量子效率

在環(huán)境條件（25℃、30%相對濕度）下刮涂制備薄膜時，DMF/NMP油墨展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢：其溶劑蒸發(fā)速率更適中，DMF沸點(diǎn)低易揮發(fā)，NMP與PbI?的弱配位作用，能抑制快速過飽和與無序成核，讓晶體生長更均勻。

原位紫外-可見（UV-Vis）吸收測試顯示，DMF/NMP體系的中間相形成更平緩，6.8秒后吸收峰才向長波長偏移，而2-ME/DMSO體系僅3秒就出現(xiàn)突變，表明新體系結(jié)晶過程更可控。Avrami模型分析證實(shí)，DMF/NMP薄膜為二維生長（n=2.21），晶體沿多方向均勻延伸；而2-ME/DMSO薄膜為一維生長（n=1.63），易形成缺陷。

掠入射XRD和飛行時間二次離子質(zhì)譜（TOF-SIMS）測試顯示，DMF/NMP薄膜殘余壓應(yīng)力極小，Cs?分布均勻；而2-ME/DMSO薄膜存在明顯壓應(yīng)力和Cs?富集梯度。光致發(fā)光（PL）測試中，新體系薄膜PL強(qiáng)度提升81%，發(fā)光成像無暗區(qū)，證實(shí)非輻射復(fù)合被顯著抑制。即使油墨老化，DMF/NMP薄膜仍無針孔和PbI?雜質(zhì)生成，而2-ME/DMSO薄膜會出現(xiàn)明顯降解。

器件性能與均勻性的全面提升

Millennial Solar

(A)DMF/NMP體系PSC的橫截面SEM圖像。(B)2-ME/DMSO和DMF/NMP體系最優(yōu)器件的J-V特性曲線。(C)兩種體系器件的EQE曲線，反映不同波長光子的光電轉(zhuǎn)換能力。(D)環(huán)境條件下，兩種體系油墨的老化時間與對應(yīng)電池功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）的關(guān)系曲線

基于DMF/NMP油墨構(gòu)建的p-i-n結(jié)構(gòu)器件（玻璃 / ITO / PTAA / Cs?.?FA?.?PbI? / C?? / BCP / Cu），橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）顯示鈣鈦礦層晶粒均勻、晶界少，電荷傳輸更順暢。其最優(yōu)器件開路電壓（V?c）達(dá)1.19 V，短路電流密度（J?c）25.7 mA?cm?2，填充因子（FF）0.851，PCE超26 %（第三方認(rèn)證26.05 %），遠(yuǎn)超2-ME/DMSO體系的21.9 %。

外量子效率（EQE）測試顯示，新體系在400-800nm波長范圍的光子-電流轉(zhuǎn)換效率更高，電壓損失僅0.34V。更重要的是，DMF/NMP油墨老化10080分鐘后，器件PCE仍達(dá)25.8%，120天后仍保持25.5%；而2-ME/DMSO油墨老化超15分鐘后，效率急劇下降。

(A)、(B)分別為2-ME/DMSO和DMF/NMP體系PSC的tDOS光譜和DLCP光譜。(C)兩種體系PSC的EL強(qiáng)度隨偏壓施加時間的變化曲線。(D)基于25個隨機(jī)選擇區(qū)域的EL成像結(jié)果，統(tǒng)計得到的平均EL響應(yīng)時間。(E)、(F)分別為2-ME/DMSO和DMF/NMP體系PSC的EL強(qiáng)度成像圖，反映器件發(fā)光均勻性

陷阱態(tài)測試表明，DMF/NMP器件的總體陷阱密度顯著降低，尤其是I??缺陷減少，底部界面結(jié)晶度改善。電致發(fā)光（EL）成像顯示，新體系器件發(fā)光均勻性好、響應(yīng)速度快，證明薄膜微觀質(zhì)量更優(yōu)，為高效穩(wěn)定奠定基礎(chǔ)。

穩(wěn)定性與規(guī)模化應(yīng)用驗(yàn)證

Millennial Solar

(A)最大功率點(diǎn)（MPP）跟蹤穩(wěn)定性測試結(jié)果，初始PCE分別為20.7%（2-ME/DMSO）和25.3%（DMF/NMP）。(B)MPP跟蹤穩(wěn)定性測試結(jié)果，初始PCE分別為19.6%（2-ME/DMSO）和23.2%（DMF/NMP）(C)采用刮涂法在大面積ITO基板上制備的Cs?.?FA?.?PbI?鈣鈦礦薄膜照片。(D)孔徑面積為63.2cm2的封裝鈣鈦礦迷你組件照片。(E)J-V曲線。(F)PCE分布情況

按照ISOS-L-2標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議測試，DMF/NMP體系封裝器件在65 ℃、50 %相對濕度下，1700小時最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）后仍保留99%初始效率；85 ℃高溫測試中，1300小時后仍保持96.9 %效率，而2-ME/DMSO器件500小時后效率僅余43 %。

規(guī)?；苽浞矫妫ㄟ^刮涂法在ITO基板上成功制備出面積約130cm2的均勻鈣鈦礦薄膜，并制成孔徑面積10-60cm2的組件。其中12.6cm2迷你組件（6個子電池串聯(lián)）的反向掃描PCE達(dá)23.5 %，V?c：7.23 V，I?c：50.0 mA，F(xiàn)F：0.818，活性面積效率達(dá)24.5 %。45個組件的測試顯示，90 %以上PCE超21.0 %，可重復(fù)性優(yōu)異，為工業(yè)化生產(chǎn)提供了可行方案。

本研究通過深入剖析鈣鈦礦油墨的穩(wěn)定性機(jī)制，提出“配位-分散平衡”準(zhǔn)則，成功開發(fā)出DMF/NMP基穩(wěn)定油墨。該油墨不僅解決了傳統(tǒng)體系的穩(wěn)定性痛點(diǎn)，還能通過刮涂制備高質(zhì)量薄膜，最終實(shí)現(xiàn)了環(huán)境制備鈣鈦礦組件的高效、長壽命與規(guī)模化兼容。這一突破為鈣鈦礦光伏技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用掃清了關(guān)鍵障礙，具有重要的實(shí)際價值與推廣意義。

鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀

Millennial Solar

美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀采用A+AA+級LED太陽光模擬器作為老化光源，以其先進(jìn)的技術(shù)和多功能設(shè)計，為鈣鈦礦太陽能電池的研究提供了強(qiáng)有力的支持。

• 3A+光源，光源壽命10000h+，真實(shí)還原各場景實(shí)際光照條件

可選配恒溫恒濕箱，滿足IS0S標(biāo)準(zhǔn)

多型號電子負(fù)載可選，多通道獨(dú)立運(yùn)行

不同波段光譜輸出可調(diào)：7.350-400nm/400-750nm/750-1150nm均獨(dú)立可控

美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀主要應(yīng)用于成品鈣鈦礦單結(jié)，疊層成品電池穩(wěn)定性測試。由于鈣鈦礦電池的輸出特性易受光照、溫度等環(huán)境因素影響，其最大功率點(diǎn)會頻繁波動。MPPT控制器通過實(shí)時追蹤并鎖定最大功率點(diǎn)，能確保系統(tǒng)始終以最優(yōu)功率輸出。這不僅能最大化發(fā)電量，還能提升整個光伏系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

原文參考：Stabilized perovskite ink for scalable coating enables high-efficiency perovskite modules

*特別聲明：「美能光伏」公眾號所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞光伏行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，若有侵權(quán)，請及時聯(lián)系我司進(jìn)行刪除。