【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite Solar Cells, PSCs)因具有高光電轉(zhuǎn)換效率、低制備成本以及柔性應(yīng)用潛力，被認(rèn)為是下一代光伏技術(shù)的重要發(fā)展方向。然而，多組分鉛鹵鈣鈦礦材料固有的軟晶格特性以及較低缺陷形成能，使其在結(jié)晶生長和后續(xù)器件加工過程中容易產(chǎn)生大量缺陷。這些缺陷不僅會誘導(dǎo)非輻射復(fù)合和離子遷移，還會加速器件性能衰減，成為限制鈣鈦礦太陽能電池長期穩(wěn)定運行和規(guī)�；瘧�(yīng)用的重要瓶頸。
 

　　針對這一問題，北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院周歡萍教授團隊提出了一種基于等離子體表面工程的界面調(diào)控新策略，通過等離子體驅(qū)動的原位化學(xué)反應(yīng)，在鈣鈦礦薄膜表面構(gòu)筑均勻、致密且強鍵合的氟化異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)界面缺陷修復(fù)與器件穩(wěn)定性的同步提升。該方法兼具可控性好、連續(xù)致密以及大面積兼容等優(yōu)勢，且可改善激光劃線所產(chǎn)生熱影響區(qū)相關(guān)缺陷的影響，為高性能鈣鈦礦太陽能組件的規(guī)�；苽涮峁┝诵碌募夹g(shù)路徑。
 

　　本研究發(fā)展了一種基于氬氣/四氟化碳(Ar/CF4)的混合等離子體表面處理技術(shù)。其中，Ar等離子體通過物理刻蝕作用去除鈣鈦礦表面的缺陷富集層，實現(xiàn)界面“拋光”；隨后，CF4等離子體產(chǎn)生的活性氟物種與表面未配位鉛離子發(fā)生原位反應(yīng)，形成穩(wěn)定的Pb-F配位結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)筑連續(xù)致密的鈣鈦礦/氟化鉛異質(zhì)界面。透射電子顯微鏡、能譜分析以及二次離子質(zhì)譜深度剖析等測試結(jié)果表明，該方法能夠在鈣鈦礦表面構(gòu)筑厚度約4至7納米、連續(xù)均勻且具有強鍵合的含氟鈍化層，同時保持體相晶體結(jié)構(gòu)完整。
 

　　進一步研究發(fā)現(xiàn)，等離子體誘導(dǎo)形成的Pb-F鍵能夠有效降低界面缺陷密度，抑制載流子非輻射復(fù)合。經(jīng)過處理后，鈣鈦礦/C60電子傳輸層界面的缺陷密度降低了約一個數(shù)量級，由6.63×1016cm−3降低至5.01×1015cm−3；同時，載流子壽命和界面載流子動力學(xué)得到顯著改善。此外，該策略還優(yōu)化了鈣鈦礦表面能級結(jié)構(gòu)，提高了鈣鈦礦與電子傳輸層之間的能級匹配，從而促進載流子高效提取。
 

　　在器件性能方面，采用該等離子體表面處理技術(shù)制備的小面積鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了27.2%的冠軍光電轉(zhuǎn)換效率，同時，基于該技術(shù)制備的100cm2鈣鈦礦太陽能模組(孔徑面積65.05cm2)實現(xiàn)了24.0%的光電轉(zhuǎn)換效率(認(rèn)證效率23.5%)。通過器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和電極優(yōu)化，小面積穩(wěn)定性器件在85°C、一個太陽光照射條件下進行最大功率點跟蹤測試2000小時后，保有初始效率的98.1%。100cm2封裝穩(wěn)定模組(孔徑面積65.05cm2)在65°C、一個太陽光照射下的最大功率點跟蹤測試1600小時后，保持器件初始效率的99.3%。此外，基于該工藝的器件還表現(xiàn)出良好的紫外老化(117.6kWh m−2)、熱老化(85°C，3192h)、反向偏壓(−14.3V)以及晝夜循環(huán)光暗老化(3000h)穩(wěn)定性。
 

　　本研究通過等離子體驅(qū)動的界面重構(gòu)策略，實現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池及模組中“高效率”與“高穩(wěn)定性”的協(xié)同提升，突破了傳統(tǒng)氣相、液相及固相鈍化方法在可控性、安全性、大面積均勻性以及組件熱影響區(qū)修復(fù)等方面的限制，為未來高性能鈣鈦礦光伏組件的產(chǎn)業(yè)化制備提供了重要技術(shù)參考。
 

　　該研究成果以“Plasma surface engineering for efficient and stable perovskite solar cells and modules”為題發(fā)表于Science。周歡萍為論文唯一通訊作者，北京大學(xué)博雅博士后范潤東、北京大學(xué)2023級博士生馬越、北京大學(xué)2023級博士生徐碩陽為論文共同第一作者，合作者包括江南大學(xué)劉桂林副教授，北京大學(xué)占肖衛(wèi)教授、趙曉續(xù)研究員，北京理工大學(xué)陳棋教授等。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中國載人航天工程、北京市自然科學(xué)基金等項目支持。實驗設(shè)備與表征得到北京大學(xué)分子材料與納米加工實驗室(MMNL)、北京大學(xué)材料加工與測試中心、北京大學(xué)分析測試中心等平臺的支持。
 

　　引用：材料科學(xué)與工程學(xué)院周歡萍團隊在鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域取得重要進展 北京大學(xué) 【引用時間：2026年8月3日】