理想的鈣鈦礦太陽能電池須至少滿足兩個要求——效率要高，還得用得久。可現實中，太陽能電池往往效率沖得高、成本壓得低，但壽命拖后腿。日前，北京大學材料科學與工程學院周歡萍教授團隊發表相關成果，提出了基於等離子體的表面工程新策略，先給鈣鈦礦表面“拋光”、再“上漆”，把“高效”與“長壽”裝進同一塊電池。

鈣鈦礦憑什麼被看好？“光電轉換效率高、制備成本低、還能做成柔性器件，是公認的下一代光伏技術發展方向。”周歡萍介紹，然而，它有個天生的短板：材料晶格偏“軟”，結晶生長、器件加工時，表面很容易長出大量缺陷。這些缺陷像牆上的坑窪，既白白浪費能量、又讓離子在材料裡亂跑，用不了多久，器件性能就明顯下滑。這也成為鈣鈦礦規模化路上最大的絆腳石。

怎麼填平這些坑窪？科研團隊給出的辦法，是給鈣鈦礦表面做一次“精裝修”。先用氬氣等離子體做物理刻蝕，把表面那層缺陷富集的“毛坯層”磨掉，這就是“拋光”﹔再用四氟化碳等離子體激活的氟物種，與表面未配位的鉛離子原位反應，在鈣鈦礦表面筑起一層4至7納米厚、連續致密的氟化鉛“保護漆”。透射電鏡、能譜分析等測試確認，這層“漆”又勻又牢，還不傷晶體內部結構。

“處理之后，變化一目了然：鈣鈦礦與電子傳輸層界面的缺陷密度降低了約一個數量級，坑窪被填平，能量不再白白流失﹔表面能級結構隨之理順，電荷提取更順暢。”周歡萍說。

“效率與壽命，這次都拿到了高分。”周歡萍介紹，小面積電池實現27.2%的冠軍光電轉換效率﹔100平方厘米的太陽能模組達到24.0%，認証效率23.5%。穩定性效果同樣優秀：小面積器件在85攝氏度、1個太陽光照射下連續運行2000小時，仍保有初始效率的98.1%﹔封裝模組在65攝氏度下運行1600小時，保有99.3%﹔紫外老化、熱老化、反向偏壓、晝夜循環……一道道考驗也均順利通過。

“等離子體驅動的界面重構，突破了傳統氣相、液相、固相鈍化方法在可控性、大面積均勻性上的限制，為未來高性能鈣鈦礦光伏組件產業化制備提供了重要技術參考。”周歡萍說。

新知解碼

鈣鈦礦是什麼？

別看它叫鈣鈦礦太陽能電池，其實裡面既沒有鈣，也沒有鈦。“鈣鈦”來自最早發現的一種叫“鈣鈦礦”的礦石，這種礦石的成分是鈣、鈦、氧。電池裡用“鈣鈦礦”借的只是它的晶體結構，材料本身是人工合成的鉛鹵化合物。

這種結構的奧妙在於“搭積木”：兩種正離子、一種負離子，按固定格式在空間裡排成骨架，換一塊“積木”，材料的本事與“脾氣”就跟著變，吸光、導電都能被調校。鈣鈦礦尤其擅長吸光，幾百納米厚的一層薄膜就能把陽光吃下，加上溶液低溫就能加工，像“刷漆”一樣一層層涂出來，性能還很好。正因如此，科學家才將它定為未來光伏技術的重要候選活性層材料之一。（記者晉浩天）