给钙钛矿“抛光上漆” 太阳能电池也可兼得“高效”与“长寿”

理想的钙钛矿太阳能电池须至少满足两个要求——效率要高，还得用得久。可现实中，太阳能电池往往效率冲得高、成本压得低，但寿命拖后腿。日前，北京大学材料科学与工程学院周欢萍教授团队发表相关成果，提出了基于等离子体的表面工程新策略，先给钙钛矿表面“抛光”、再“上漆”，把“高效”与“长寿”装进同一块电池。

钙钛矿凭什么被看好?“光电转换效率高、制备成本低、还能做成柔性器件，是公认的下一代光伏技术发展方向。”周欢萍介绍，然而，它有个天生的短板：材料晶格偏“软”，结晶生长、器件加工时，表面很容易长出大量缺陷。这些缺陷像墙上的坑洼，既白白浪费能量、又让离子在材料里乱跑，用不了多久，器件性能就明显下滑。这也成为钙钛矿规模化路上最大的绊脚石。

怎么填平这些坑洼?科研团队给出的办法，是给钙钛矿表面做一次“精装修”。先用氩气等离子体做物理刻蚀，把表面那层缺陷富集的“毛坯层”磨掉，这就是“抛光”;再用四氟化碳等离子体激活的氟物种，与表面未配位的铅离子原位反应，在钙钛矿表面筑起一层4至7纳米厚、连续致密的氟化铅“保护漆”。透射电镜、能谱分析等测试确认，这层“漆”又匀又牢，还不伤晶体内部结构。

“处理之后，变化一目了然：钙钛矿与电子传输层界面的缺陷密度降低了约一个数量级，坑洼被填平，能量不再白白流失;表面能级结构随之理顺，电荷提取更顺畅。”周欢萍说。

“效率与寿命，这次都拿到了高分。”周欢萍介绍，小面积电池实现27.2%的冠军光电转换效率;100平方厘米的太阳能模组达到24.0%，认证效率23.5%。稳定性效果同样优秀：小面积器件在85摄氏度、1个太阳光照射下连续运行2000小时，仍保有初始效率的98.1%;封装模组在65摄氏度下运行1600小时，保有99.3%;紫外老化、热老化、反向偏压、昼夜循环……一道道考验也均顺利通过。

“等离子体驱动的界面重构，突破了传统气相、液相、固相钝化方法在可控性、大面积均匀性上的限制，为未来高性能钙钛矿光伏组件产业化制备提供了重要技术参考。”周欢萍说。

新知解码

钙钛矿是什么?

别看它叫钙钛矿太阳能电池，其实里面既没有钙，也没有钛。“钙钛”来自最早发现的一种叫“钙钛矿”的矿石，这种矿石的成分是钙、钛、氧。电池里用“钙钛矿”借的只是它的晶体结构，材料本身是人工合成的铅卤化合物。

这种结构的奥妙在于“搭积木”：两种正离子、一种负离子，按固定格式在空间里排成骨架，换一块“积木”，材料的本事与“脾气”就跟着变，吸光、导电都能被调校。钙钛矿尤其擅长吸光，几百纳米厚的一层薄膜就能把阳光吃下，加上溶液低温就能加工，像“刷漆”一样一层层涂出来，性能还很好。正因如此，科学家才将它定为未来光伏技术的重要候选活性层材料之一。