显微荧光寿命成像系统助力北大Science钙钛矿电池研究

北京大学材料科学与工程学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，实现了钙钛矿太阳能电池及模组中“高效率”与“高稳定性”的协同提升。该研究成果以“Plasma surface engineering for efficient and stable perovskite solar cells and modules”为题发表于国际顶刊《Science》上。

原文导读

钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）因具有高光电转换效率、低制备成本以及柔性应用潜力，被认为是下一代光伏技术的重要发展方向。然而，多组分铅卤钙钛矿材料固有的软晶格特性以及较低缺陷形成能，使其在结晶生长和后续器件加工过程中容易产生大量缺陷。这些缺陷不仅会诱导非辐射复合和离子迁移，还会加速器件性能衰减，成为限制钙钛矿太阳能电池长期稳定运行和规模化应用的重要瓶颈。

针对这一问题，北京大学材料科学与工程学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，通过等离子体驱动的原位化学反应，在钙钛矿薄膜表面构筑均匀、致密且强键合的氟化异质结构，实现界面缺陷修复与器件稳定性的同步提升（图1）。该方法兼具可控性好、连续致密以及大面积兼容等优势，且可改善激光划线所产生热影响区相关缺陷的影响，为高性能钙钛矿太阳能组件的规模化制备提供了新的技术路径。

图1  等离子体表面工程示意图

图2 原位偏压调控下ITO/PVSK/Au PL的演变以及相应荧光成像图

本研究首先发展了一种基于氩气/四氟化碳（Ar/CF4）的混合等离子体表面处理技术。其中，Ar等离子体通过物理刻蚀作用去除钙钛矿表面的缺陷富集层，实现界面“抛光”；随后，CF4等离子体产生的活性氟物种与表面未配位铅离子发生原位反应，形成稳定的Pb-F配位结构，从而构筑连续致密的钙钛矿/氟化铅异质界面。透射电子显微镜、能谱分析以及二次离子质谱深度剖析等测试结果表明，该方法能够在钙钛矿表面构筑厚度约4至7纳米、连续均匀且具有强键合的含氟钝化层，同时保持体相晶体结构完整。

进一步研究发现，等离子体诱导形成的Pb-F键能够有效降低界面缺陷密度，抑制载流子非辐射复合。经过处理后，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，由6.63×1016 cm−3降低至5.01×1015 cm−3；同时，载流子寿命和界面载流子动力学得到显著改善。此外，该策略还优化了钙钛矿表面能级结构，提高了钙钛矿与电子传输层之间的能级匹配，从而促进载流子高效提取。

图3  未经处理和经过等离子体表面处理的PVSK 薄膜的FLIM成像

在器件性能方面，采用该等离子体表面处理技术制备的小面积钙钛矿太阳能电池实现了27.2%的优异光电转换效率，同时，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（认证效率23.5%）。通过器件结构设计和电极优化，小面积稳定性器件在85°C、1个太阳光照射条件下进行最大功率点跟踪测试2000小时后，保有初始效率的98.1%。100 cm2封装稳定模组（孔径面积65.05 cm2）在65 °C、1个太阳光照射下的最大功率点跟踪测试1600小时后，保持器件初始效率的99.3%。此外，基于该工艺的器件还表现出良好的紫外老化（117.6 kWh m−2）、热老化（85°C，3192h）、反向偏压（−14.3 V）以及昼夜循环光暗老化（3000h）稳定性。

本研究通过等离子体驱动的界面重构策略，实现了钙钛矿太阳能电池及模组中“高效率”与“高稳定性”的协同提升，突破了传统气相、液相及固相钝化方法在可控性、安全性、大面积均匀性以及组件热影响区修复等方面的限制，为未来高性能钙钛矿光伏组件的产业化制备提供了重要技术参考。

文中ITO/PVSK/Au的PL Mapping（图2和图3）由北京卓立汉光仪器有限公司的OmniFluo-FLIM荧光寿命成像显微镜获取得到。激发光为450nm皮秒脉冲光源。图2中可以看到经过等离子体表面处理后的样品荧光稳定性优异。FLIM图像(图3)表明经过等离子体表面处理后，PVSK 薄膜载流子寿命变长，更有利于钙钛矿太阳能电池中的载流子的提取。

OmniFluo-FLIM通过对样品进行微观尺度下的荧光强度成像和荧光寿命成像，可以对钙钛矿太阳能电池进行表征，从而为工艺优化提供相应数据支撑。

OmniFluo-FLIM 荧光寿命成像显微镜