钙钛矿太阳能电池因其优异的光电转换效率和潜在的低制造成本，成为下一代光伏技术的重要候选。溶液法加工特性使其具备大规模生产潜力，但钙钛矿墨水（前驱体溶液）的稳定性直接影响薄膜质量与器件性能的可靠性。目前常用的铯-甲脒碘化铅（CsₓFA₁ₓPbI₃）墨水在可扩展涂覆工艺中面临严重聚集和沉淀问题，主要源于溶剂与铅-卤化物之间过强的配位作用，导致墨水储存时间短、重现性差，制约其产业化应用。
针对以上问题，南京大学陈尚尚教授及牛津大学Henry J. Snaith团队揭示了当前CsₓFA₁ₓPbI₃墨水的不稳定性源于溶剂-铅-卤化物过强配位引发的聚集与沉淀行为。通过调控前驱体盐与溶剂的配位强度，提出“溶剂配位-分散平衡”作为墨水稳定性的关键机制，并开发出基于DMF/NMP溶剂的稳定钙钛矿墨水，其储存寿命大幅提升至超过10000分钟。该墨水在刮涂过程中可调控干燥与结晶行为，获得均匀、低缺陷的钙钛矿薄膜。基于该墨水的p-i-n结构钙钛矿微型组件在空气中制备，其孔径效率提升至23.5%（独立认证为22.84%），器件在ISOS-L-2标准下连续光照1700小时后仍保持99%的初始效率，展现出优异的操作稳定性。
相关研究成果以“Stabilized perovskite ink for scalable coating enables high-efficiency perovskite modules”为题，发表在Science Advances上。
陈尚尚教授，博士生导师，国家级青年人才计划入选者，科技部重点研发计划首席青年科学家。2010-2014年在南京大学获得学士学位，2014-2018年在香港科技大学获得博士学位，2018-2021年在北卡大学教堂山分校从事博士后研究，2022年入职南京大学，研究方向为有机光电材料和有机/钙钛矿太阳能电池。在Science，Nature Energy，Nature Sustainability，Nature Communications，Science Advances，Joule，JACS，Angew. Chem.，Advanced Materials等期刊发表SCI论文50余篇。主持国家级海外高层次青年人才项目、科技部重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金面上项目、江苏省青年项目和横向项目等。目前担任Chinese Journal of Chemistry，Nano-Micro Letters，Exploration和Nano Research Energy的青年编委。
图1 不同溶剂体系中钙钛矿前驱体溶液的稳定性表现
图1比较了不同溶剂体系中钙钛矿前驱体溶液的稳定性表现。作者展示了Cs₀.₁FA₀.₉PbI₃在2-ME/DMSO（左）与DMF/NMP（右）溶剂中储存45分钟后的溶液状态照片，可见2-ME/DMSO体系在短时间内出现明显白色沉淀，而DMF/NMP体系保持澄清。
动态光散射谱图显示2-ME/DMSO墨水在储存10分钟后出现2 nm与600 nm的颗粒峰，表明微晶形成与生长；原位傅里叶变换红外光谱中S=O峰的变化进一步证实DMSO与Pb²⁺的强配位导致沉淀。X射线衍射分析确认沉淀物为PbI₂-DMSO复合物。
图1E说明墨水储存时间与配位溶剂的供体数呈负相关线性关系，而图1F显示PbI₂-DMSO与PbI₂-NMP在不同非配位溶剂中的溶解度，其中DMF对PbI₂-NMP的溶解能力最佳（约1.4 mol·L⁻¹）。这些结果共同阐明，通过选用配位强度较弱的NMP与高溶解性DMF组合，可实现墨水长期稳定，抑制聚集与相分离。
图2 基于2-ME/DMSO与DMF/NMP溶剂的钙钛矿薄膜性质
图2通过多种表征手段对比了基于2-ME/DMSO与DMF/NMP溶剂的钙钛矿薄膜性质。原位紫外-可见吸收光谱（图2A、B）显示在刮涂过程中，DMF/NMP体系具有更长的溶剂蒸发窗口与更均匀的中间相形成动力学。掠入射X射线衍射（图2C–E）表明DMF/NMP薄膜的（012）晶面残余应变显著低于2-ME/DMSO薄膜，说明其晶体结构更为完整、纵向均匀性更优。光致发光光谱（图2F）显示DMF/NMP薄膜的发光强度提高81%，表明非辐射复合受到抑制。发光成像图（图2G、H）进一步直观展示DMF/NMP薄膜具有更高的发光均匀性，而2-ME/DMSO薄膜存在明显的暗区与岛状不均匀区域。这些结果共同说明DMF/NMP墨水能促进均匀成核与结晶，获得高质量钙钛矿薄膜。
图3 基于不同溶剂体系的钙钛矿太阳能电池器件性能
图3展示了基于不同溶剂体系的钙钛矿太阳能电池器件性能。截面SEM图像（图3A）显示DMF/NMP器件具有致密、均匀的钙钛矿晶粒与较少晶界。电流密度-电压曲线（图3B）表明冠军DMF/NMP器件实现高达26%的光电转换效率，其开路电压、短路电流密度和填充因子均优于2-ME/DMSO对照组。外量子效率光谱（图3C）显示DMF/NMP器件在400–800 nm波长范围内具有更高的光子-电流转换效率。图3D进一步比较墨水老化时间对器件效率的影响：2-ME/DMSO体系在15分钟后效率急剧下降，而DMF/NMP墨水在老化超过10,000分钟后仍保持25.8%的高效率，证明其卓越的储存稳定性与工艺宽容度。
图4 器件质量分析
图4从缺陷态与电致发光均匀性角度深入分析器件质量。陷阱态密度谱（图4A）显示DMF/NMP器件的整体陷阱密度低于2-ME/DMSO器件，尤其是I⁺ᵢ缺陷在0.20–0.33 eV深度范围内显著减少。驱动级电容谱（图4B）进一步证实DMF/NMP器件具有更低的体缺陷与界面缺陷密度。电致发光响应曲线（图4C）表明DMF/NMP器件具有更快的EL上升时间与更高的饱和强度，反映其界面复合少、电荷注入效率高。EL响应时间统计（图4D）显示DMF/NMP组分布更窄、响应更快。EL强度成像（图4E、F）直观显示DMF/NMP器件发光均匀，而2-ME/DMSO器件存在大量离散发光中心，进一步印证DMF/NMP墨水在提升薄膜均匀性与器件性能方面的优势。
图5 器件的长期操作稳定性与大面积模块的可扩展性
图5评估了器件的长期操作稳定性与大面积模块的可扩展性。在65°C、50%相对湿度、持续最大功率点跟踪条件下（图5A），封装后的DMF/NMP器件在1700小时后仍保持99%的初始效率，而2-ME/DMSO器件在500小时后效率衰减至43%。在85°C高温测试中（图5B），DMF/NMP器件1300小时后效率保持率达96.9%。图5C、D展示了大面积刮涂钙钛矿薄膜（~130 cm²）与封装微型模块（63.2 cm²）的实物照片，表明该墨水体系适用于大面积制备。冠军微型模块（图5E）在12.6 cm²孔径面积上实现23.5%的效率，对应活性面积效率达24.5%，且滞后可忽略。效率分布统计（图5F）显示45个模块中超过90%的效率高于21.0%，证明该工艺具备良好的重复性与可扩展潜力。
该项研究系统阐明了钙钛矿墨水中溶剂配位-分散平衡对稳定性的关键影响，通过选用配位强度适中的NMP与高溶解性的DMF组合，显著延长墨水储存寿命并提升薄膜质量。所得钙钛矿组件在空气中制备即实现23.5%的高效率，并具备优异的长期稳定性与工艺重复性。该研究为钙钛矿太阳能电池的大规模、可重复制备提供了可靠的墨水设计与工艺基础，推动其向产业化应用迈出重要一步。
Yangyang Liu et al., Stabilized perovskite ink for scalable coating enables high-efficiency perovskite modules. Sci. Adv.12, eaec0915(2026). DOI:10.1126/sciadv.aec0915
