论文概览
针对钙钛矿太阳能电池在从实验室小面积器件向大面积模组放大过程中效率显著损失的瓶颈问题，南京工业大学先进材料研究院陈永华、晁凌锋团队创新性提出甲酸根（Fa⁻） stabilized 纳米胶体调控策略。该研究通过引入甲酸根阴离子，显著提升胶体表面电荷密度，增强静电排斥作用，抑制胶体团聚，将胶体尺寸稳定控制在30 nm左右，实现了从1 cm²小面积器件到12.6 cm²迷你模组的高质量钙钛矿薄膜均一制备。最终，该体系在空气中刮涂制备的器件实现了1 cm²面积下24.30%、5 cm × 5 cm迷你模组下24.10%的认证效率，放大幅度下效率损失仅为0.8%，为目前公开报道的最小效率损失。封装模组在空气中连续运行1000小时后仍保持95%初始效率。
技术亮点
1.甲酸根调控胶体尺寸：Fa⁻与Pb²⁺形成紧密配位结构，胶体尺寸缩小至30 nm，分布高度均一。
2.静电排斥增强体系稳定性：Zeta电位从+8 mV提升至-44 mV，胶体系统稳定性大幅提升。
3.结晶动力学调控：FAFa显著延迟α相钙钛矿结晶时间（从8 s延长至15 s），促进大晶粒生长。
4.高效率与低损失兼得：1 cm²器件效率24.30%，12.6 cm²模组效率24.10%，放大效率损失仅0.8%。
研究意义
✅突破放大瓶颈：首次实现从实验室小器件到迷你模组的近零效率损失。 ✅构建胶体调控新范式：从源头调控前驱体溶液胶体行为，提升薄膜均一性。 ✅适配大面积涂布工艺：兼容刮涂、狭缝涂布等规模化制备技术。 ✅兼具高效与稳定：封装模组在空气中MPP跟踪1000 h后效率保持95%。
深度精度
Figure 1：该图系统揭示钙钛矿前驱体溶液中胶体的特性及离子盐的调控机制。(a)展示甲酸根（Fa⁻）、乙酸根（Ac⁻）、丙酸根（P⁻）的化学结构与静电势谱（ESP），负电荷集中于羰基且密度随烷基链长递减；(b)动态光散射（DLS）显示对照样胶体尺寸呈30-300nm宽分布，添加离子盐后分布趋均；(c)Zeta电位从对照样+8mV升至-44mV，反映双电层稳定性增强；(d)冷冻透射电镜（Cryo-TEM）直观呈现对照样胶体尺寸不均，而甲酸铵（FAFa）样胶体更均匀；(e)示意图总结：离子盐填充胶体表面电荷缺陷，增加负电荷密度与斯特恩层电荷，增强静电排斥抑制聚集，且甲酸根因体积小、位阻弱，与Pb²⁺形成紧密配位，将胶体尺寸降至约30nm，为后续高质量薄膜奠定基础。
Figure 2：通过粗粒化分子动力学（MD）模拟解析离子盐对前驱体溶液离子簇的影响。(a)(b)(c)模拟快照（红：Pb²⁺、紫：FA⁺、黄：I⁻、蓝：DMF、黑：添加离子）显示，FAFa使离子分布均匀、簇解离，FAAc和FAP因阴离子尺寸增大、非极性基团与FA⁺亲和而增强聚集；(d)静态结构因子Sᵢ(q)中FAFa样曲线更平，说明离子分布均匀；(e)径向分布函数表明FAFa的Fa⁻与DMF作用强，FAAc、FAP阴离子作用弱；(f)扩散系数显示离子尺寸增大则扩散减慢、DMF扩散加快；(g)(h)径向分布函数验证FAFa样中Pb²⁺周围I⁻和DMF分布更均匀；(i)邻近阳离子数统计表明，FAFa的Fa⁻仅结合少量Pb²⁺，FAAc、FAP结合更多，解释离子簇差异，从分子层面阐明FAFa的调控机制。
Figure 3：聚焦钙钛矿薄膜的结晶动力学与均匀性。(a)光学显微镜显示对照样结晶快、晶粒小，FAFa样结晶慢（90s仍成熟中）、120s形成大晶粒，FAAc、FAP样出现枝晶；(b)截面SEM表明对照样结构不均，FAFa样更均匀；(c)(d)原位掠入射广角X射线散射（GIWAXS）显示FAFa样α相出现延迟（15s vs 对照样8s）且强度更高，说明结晶更可控；(e)微区GIWAXS（μ-GIWAXS）扫描证实FAFa样5×5cm薄膜各区域结晶度与均匀性显著提升，解决大面积制备的均匀性难题。
Figure 4：分析钙钛矿薄膜的光电性能。(a)光致发光（PL）谱与(d)时间分辨PL（TRPL）衰减谱显示，FAFa样PL强度更高、载流子寿命更长，非辐射复合被有效抑制；(b)(c)PL映射与(e)(f)TRPL映射直观呈现FAFa样薄膜更均匀、缺陷态密度更低；(g)(h)电荷载流子密度提取表明，FAFa样在低光强（3.16%以下）仍能高效提取载流子；(i)瞬态光电流（TPC）曲线显示FAFa样寿命更短，电荷转移效率提升，结合TPV结果（图S22）进一步验证其电荷提取能力增强，为高效器件提供光电基础。
Figure 5：展示器件的光伏性能与稳定性。(a)J-V曲线显示FAFa基1cm²器件效率达24.30%（Voc=1.18V、Jsc=25.66mA/cm²、FF=80.01%），远超对照样22.78%；(b)5×5cm mini模块（有效面积12.6cm²）效率达24.10%，为当时报道的mini模块最高效率；(c)PCE统计表明FAFa基器件效率更集中且更高；(d)效率损失对比显示，从1cm²到mini模块仅损失0.8%，为最小效率损失；(e)(f)PCE分布显示FAFa基器件均匀性更好；(g)未封装器件在N₂中2400h保持95%效率，1500h MPP跟踪保持96%；(h)封装mini模块在 ambient air（30°C、55%RH）中1000h MPP跟踪保持95%效率，稳定性优异，验证技术的实用化潜力。
结论展望
本研究通过甲酸根调控纳米胶体策略，成功实现了从实验室小器件到大面积模组的近零效率损失制备，1 cm²器件效率24.30%，12.6 cm²模组效率24.10%，放大损失仅0.8%，为目前公开报道的最高效率与最小损失。封装模组在空气中连续运行1000 h后仍保持95%初始效率，展现出优异的运行稳定性。该工作首次系统揭示了前驱体溶液中胶体尺寸与分散性对大面积薄膜均一性的决定性作用，为钙钛矿太阳能电池的规模化制备与商业化应用提供了全新思路与技术路径。
文献来源
Li, Z., Wang, K., Duan, X. et al. Nanoscale Colloids Engineering for Minimizing Efficiency Loss in Scalable Perovskite Solar Cells. Adv. Mater. (2026). https://doi.org/10.1002/adma.202520776
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