“抛光 + 镀膜”提升钙钛矿光伏效率与稳定性——等离子体表面工程新策略，实现钙钛矿太阳能电池及模组性能协同提升

给钙钛矿表面先“抛光”再“镀膜”，把“高效”与“长寿”装进同一块电池。

导读

钙钛矿太阳能电池因其光电转换效率高、制备成本低、可制备柔性器件等优势，被视为下一代光伏技术的重要方向。然而，多组分铅卤钙钛矿材料具有软晶格特性与较低的缺陷形成能，在结晶生长和器件加工过程中容易产生大量缺陷，这些缺陷会诱导非辐射复合和离子迁移，加速器件性能衰减，成为制约其长期稳定运行和规模化应用的核心瓶颈。北京大学材料科学与工程学院、碳中和研究院周欢萍教授团队提出了一种基于等离子体表面工程的界面调控新策略，通过氩气 / 四氟化碳（Ar/CF4）混合等离子体处理，先在钙钛矿薄膜表面进行“抛光”去除缺陷层，再“镀膜”构筑均匀、致密且强键合的氟化异质结构，实现了效率与稳定性的协同突破。该成果以“Plasma surface engineering for efficient and stable perovskite solar cells and modules”（用于高效稳定钙钛矿太阳能电池及模组的等离子体表面工程）为题，于 2026 年 7 月 30 日在线发表于《科学》（Science）期刊。

Part 1

科学背景：

钙钛矿光伏的“高效”与“长寿”之困

钙钛矿太阳能电池（PSCs）自2009年首次报道以来，光电转换效率在十余年间从 3.8% 迅速攀升至 27% 以上，其效率提升速度在新型薄膜光伏技术中十分突出。兼具高效率和低成本溶液加工优势的钙钛矿光伏，被广泛视为实现低成本碳中和光伏的核心候选方案之一。

然而，效率的快速攀升并未同步带来稳定性的突破。金属卤化物钙钛矿材料具有较软的晶格结构和较低的缺陷形成能，其薄膜表面和晶界处极易形成高浓度的缺陷态。研究表明，钙钛矿薄膜表面缺陷密度通常比体相高出 1-3个数量级。这些界面缺陷成为非辐射复合中心，加剧载流子损耗，同时降低离子迁移能垒，是导致器件性能退化和寿命缩短的核心原因。

传统的界面钝化策略主要依赖溶液法—将钝化分子溶解在溶剂中，通过旋涂或喷涂等方式覆盖在钙钛矿表面。这种方法在小面积器件上取得了一定成效，但面临两个难以逾越的瓶颈：其一，大面积薄膜上溶剂挥发速度不均，导致钝化分子分布不均匀，难以实现空间一致性的界面修饰；其二，在钙钛矿太阳能模组的制备过程中，激光划线会在互连区域产生局部热影响区（HAZ），这些区域的缺陷积累主导了模组层面的性能损失，而传统溶液法无法有效覆盖和修复这些微观损伤区域。

Part 2

技术突破：

等离子体“抛光 + 镀膜”两步法

针对上述难题，周欢萍团队发展了一种基于氩气 / 四氟化（Ar/CF4）混合等离子体的表面处理技术，通过“先抛光、再镀膜”两步完成钙钛矿表面的界面重构。

2.1 第一步“抛光”：氩等离子体物理刻蚀

研究团队首先利用氩气（Ar）等离子体对钙钛矿薄膜表面进行处理。氩等离子体中的高能粒子通过物理刻蚀作用，精准去除钙钛矿表面那层缺陷富集的“毛坯层”。这一步骤类似于木工制作中的“抛光”—去掉表面粗糙、有瑕疵的部分，为后续的精密加工提供平整的基底。

2.2 第二步“镀膜”：Ar/CF4混合等离子体原位反应

抛 光 之 后， 研 究 团 队 通 入 氩 气 与 四 氟 化 碳（Ar/CF4）混合气体产生等离子体。等离子体活化产生的含氟反应物种与钙钛矿表面发生原位化学反应，形成富含Pb—F 键的表面异质结构。这一反应在钙钛矿表面形成连续、均匀且强键合的含铅氟化物异质结构。

透射电子显微镜、能谱分析以及二次离子质谱深度剖析等多重表征手段证实，这一方法在构筑致密钝化层的同时，完好保持了钙钛矿体相晶体结构的完整性。

2.3 原子尺度的强键合界面

等离子体诱导形成的 Pb-F 键具有强共价键合特性。研究团队发现，经过等离子体处理后，钙钛矿 /C60 电子传输层界面的缺陷密度降低了约一个数量级。

这种强键合界面带来的益处不止于缺陷钝化。Pb-F键还能够稳定钙钛矿晶格、抑制离子迁移，并改善界面载流子输运特性。同时，该策略还优化了钙钛矿表面能级结构，改善了钙钛矿与电子传输层之间的能级匹配，从而促进载流子的高效提取。

2.4 效率与稳定性的双重突破

基于该等离子体表面处理技术，研究团队制备的小面积钙钛矿太阳能电池（有效面积 0.08313 cm2 ）实现了27.2% 的冠军光电转换效率。

更令人瞩目的是大面积模组的突破。研究团队基于该技术制备的 100 cm2 钙钛矿太阳能模组（孔径面积65.05 cm2 ）实现了 24.0% 的光电转换效率，经中国计量科学研究院认证，模组效率为 23.5%。

在稳定性方面，经过优化的器件表现同样出色：小面积器件在 85°C、1 个太阳光照射条件下进行最大功率点跟踪测试 2 000 小时后，仍保有初始效率的 98.1%；100 cm2 封装模组在 65°C、相对湿度 60% 至 80% 的空气环境中、1 个太阳光照射下测试 1600 小时后，仍保持初始效率的 99.3%。此外，器件还通过了紫外老化（117.6 kWh·m-2）、热老化（85°C，3192 小时）、反向偏压（-14.3 V）以及昼夜循环光暗老化（3000 小时）等多项严苛测试。

2.5 攻克激光划线热影响区钝化难题

值得一提的是，该策略还显示出对模组激光划线互连区域缺陷的调控能力，有助于减轻局部损伤引起的模组性能损失。在钙钛矿太阳能模组的制备过程中，激光划线是必不可少的工序，但激光产生的局部高温会在划线边缘形成热影响区，引入大量缺陷。研究团队采用差异化等离子体处理策略，实现了对这些局部缺陷的原位修复，有效减少了能量损失。这一结果为进一步解决大面积钙钛矿模组制备过程中的局域缺陷问题提供了新的技术思路。

Part 3

产业关联与应用展望

钙钛矿太阳能电池的产业化长期受困于“效率高、寿命短”的矛盾。本研究提出的等离子体表面工程策略，为破解这一矛盾提供了切实可行的技术路径。

在规模化制造方面，等离子体技术本身具有良好的工艺可控性和大面积均匀性，与传统真空镀膜设备兼容，具备向工业化生产线迁移的潜力。该策略成功将实验室级别的小面积高效率（27.2%）拓展至 100 cm2 模组级别（认证效率 23.5%），缩小了从器件到组件的效率差距，这是钙钛矿光伏迈向商业化的重要一步。

在可靠性验证方面，器件在高温（85°C）、强光照、紫外辐射、反向偏压、昼夜循环等多项模拟实际工况的加速老化测试中均表现出优异的稳定性。这些测试覆盖了户外光伏电站可能遭遇的绝大多数环境应力因素，为产品的实际部署提供了可靠性依据。

在技术普适性方面，该等离子体表面工程策略不仅适用于钙钛矿太阳能电池，还有望推广至发光二极管、光电探测器等光电器件的界面优化。

从实验室研究走向实际应用，钙钛矿光伏仍需解决长期户外稳定性、设备放大、工艺一致性以及制造成本等问题。

不过，本研究证明了等离子体表面工程能够在大面积钙钛矿薄膜和模组体系中实现较为均匀的界面调控，并同时改善器件效率和稳定性，为钙钛矿光伏面向实用化的发展提供了新的工艺路径。随着设备适配、工艺窗口优化和长期可靠性验证的持续推进，这类干法界面工程策略有望进一步拓展其应用范围。

Part 4

总结与展望

钙钛矿太阳能电池的优势在于高效率，瓶颈在于稳定性。此次研究没有在材料体系中“做加法”引入复杂的分子设计，而是通过等离子体表面工程这一“干法”工艺，在钙钛矿薄膜表面完成了“先抛光、再镀膜”的界面重构。

研究团队利用氩等离子体物理刻蚀去除缺陷富集层，再利用 Ar/CF4 混合等离子体原位反应构筑强键合氟化钝化层。这一策略在保持钙钛矿体相结构完整的同时，将界面缺陷密度降低一个数量级，实现了小面积器件 27.2%的效率、100 cm2 模组 23.5% 的认证效率，以及高温光照老化 2000 小时后效率保有率 98% 以上的卓越稳定性。

这项工作的价值在于：它为解决钙钛矿光伏“高效”与“长寿”之间的矛盾提供了一条可规模化、可工业化的技术路径—用等离子体这把“精密手术刀”，在原子尺度上完成对钙钛矿表面的精准修复与重构，而非依赖传统溶液法的“涂抹”式钝化。

未来，围绕等离子体表面工程的设备开发、工艺放大、长期户外稳定性验证以及与现有光伏产线的适配性研究仍值得期待。随着相关技术不断成熟，这一策略有望为钙钛矿太阳能电池及模组的商业化铺平道路，为低成本碳中和光伏目标的实现提供关键材料技术支撑。

科研团队信息

该研究由北京大学材料科学与工程学院、北京大学碳中和研究院周欢萍教授团队牵头完成，合作者包括江南大学刘桂林副教授、北京大学占肖卫教授、北京大学赵晓续研究员、北京理工大学陈棋教授等。

北京大学周欢萍教授为论文通信作者；北京大学博雅博士后范润东、北京大学 2023 级博士研究生马越、北京大学 2023 级博士研究生徐硕阳为论文共同第一作者。

该研究工作得到国家自然科学基金等项目的资助。

来源：怀柔科学城城市客厅新媒体中心 孙践伟

编辑：柯欣

审核：王汝霖

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