鈣鈦礦的起源與定義

鈣鈦礦（Perovskite）作為目前一種大家所熟知的材料，已有180多年歷史，最初它是指一種由無(wú)機(jī)物鈦酸鈣（CaTiO₃）組成的礦物。1839年，柏林大學(xué)礦物學(xué)家古斯塔夫斯·羅斯發(fā)現(xiàn)了這種天然礦物，并以俄羅斯貴族、礦物學(xué)家列夫·佩洛夫斯基的名字命名。
 

鈣鈦礦的現(xiàn)代定義與結(jié)構(gòu)

如今，鈣鈦礦已不再指代單一的礦物，而是指具有ABX₃結(jié)構(gòu)的化合物家族，A位通常代表有機(jī)陽(yáng)離子，B位為金屬鉛離子Pb2+，而X位為鹵素陰離子。這種結(jié)構(gòu)的靈活性，為鈣鈦礦材料帶來(lái)了豐富的光學(xué)和電學(xué)特性，使其在超聲波機(jī)、存儲(chǔ)芯片以及太陽(yáng)能電池等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。

最近10多年來(lái)，研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)主要集中在鹵化鉛鈣鈦礦，世界各地的實(shí)驗(yàn)室都試圖尋找在電池效率、成本和耐用性方面表現(xiàn)最佳的鈣鈦礦材料。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的突破

2009年，日本科學(xué)家宮坂力及其同事首次選用有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化的鈣鈦礦材料碘化鉛甲胺（CH₃NH₃PbI₃）和溴化鉛甲胺（CH₃NH₃PbBr₃）作為新型光敏化劑，取代染料敏化太陽(yáng)能電池中的染料，制備出全球第一個(gè)具有光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件。雖然其轉(zhuǎn)換效率僅有3.8%，有效面積0.24cm²，并只穩(wěn)定了幾分鐘，但為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的后續(xù)發(fā)展奠基了不可磨滅的研發(fā)基礎(chǔ)。

2012年，韓國(guó)樸南圭團(tuán)隊(duì)首次報(bào)告了效率接近10%的全固態(tài)有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。同年，英國(guó)的亨利·斯奈斯團(tuán)隊(duì)首次將Cl元素引入鈣鈦礦中，并使用無(wú)機(jī)化合物氧化鋁（Al₂O₃）替代無(wú)機(jī)化合物二氧化鈦（TiO₂），證明鈣鈦礦不僅可作為光吸收層，還可作為電子傳輸層，得到電池效率10.9%。2013年，斯奈斯等人采用共蒸發(fā)方法制備鈣鈦礦薄膜，形成了一種全新的平面異質(zhì)結(jié)電池，效率達(dá)到15.4%，引起世界矚目。

鈣鈦礦的光電特性研究

有機(jī)-無(wú)機(jī)鹵化鉛鈣鈦礦也因此成為新興的光伏材料。“2014年以前，大家研究的是有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化的鈣鈦礦，里面既有機(jī)小分子，也有無(wú)機(jī)重金屬，還有鹵素。研究人員測(cè)試后發(fā)現(xiàn)這種材料在制備工藝上與有機(jī)光電半導(dǎo)體相似，但它的光電特性又像無(wú)機(jī)材料。”上海光機(jī)所薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任、研究員邵宇川介紹道，“當(dāng)時(shí)，新一代光伏太陽(yáng)能電池課題組的研究方向主要包括染料敏化太陽(yáng)能電池、量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池。這三種電池結(jié)構(gòu)各不相同，神奇的是，把鈣鈦礦‘塞到’這三種電池中，不需要改變器件結(jié)構(gòu)，電池都可以高效工作，鈣鈦礦研究領(lǐng)域一下子就火了。”

鈣鈦礦的火熱也讓研究人員開始關(guān)注其本身的機(jī)理和光電特性，到2016年，通過(guò)生長(zhǎng)世界上第一個(gè)大尺寸鈣鈦礦單晶，科學(xué)家已能清楚表征鈣鈦礦材料本征的光電特性，人們可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求改變鈣鈦礦器件結(jié)構(gòu)，提升效率和穩(wěn)定性。

鈣鈦礦材料的多領(lǐng)域應(yīng)用

1.光發(fā)射和LED

鈣鈦礦材料因其高的材料質(zhì)量和熒光量子產(chǎn)率，特別適用于光發(fā)射和LED領(lǐng)域。

2.光致發(fā)光與電致發(fā)光特性

3.光解水、光檢測(cè)、輻射探測(cè)

4.單晶器件和發(fā)光器件(發(fā)光二極管、激光、發(fā)光場(chǎng)效應(yīng)晶體管)

5.材料特性的優(yōu)勢(shì)

鈣鈦礦材料在390-790 nm光譜范圍內(nèi)均可吸收，具備超大的光吸收系數(shù)，超低的體積缺陷密度，緩慢的俄歇復(fù)合以及平衡的雙極性傳輸?shù)忍匦�，這些特性使得鈣鈦礦材料在高發(fā)光效率方面有顯著優(yōu)勢(shì)。

6.可溶液加工和柔性器件制備

使得工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的大面積器件制備成為可能，進(jìn)一步擴(kuò)展了其在顯示、照明和光通信方面的應(yīng)用前景。

相關(guān)設(shè)備

針對(duì)于鈣鈦礦特性的研究，譜鐳光電有以下設(shè)備適合于相關(guān)應(yīng)用：

高靈敏的微型光纖光譜儀QEpro：它是具有低雜散光性能的高靈敏度光譜儀，是各種弱光應(yīng)用的理想選擇，例如熒光、DNA測(cè)序和拉曼測(cè)量。

EQY量子效率測(cè)試系統(tǒng)：針對(duì)于鈣鈦礦發(fā)光材料或器件，其發(fā)光量子效率是非常重要的，我們基于光纖光譜儀的鈣鈦礦發(fā)光材料特性測(cè)試方案是一套綜合了PL，EL測(cè)試功能為一體的OLED，量子點(diǎn)，鈣鈦礦等材料特性測(cè)試方案。

其測(cè)試優(yōu)勢(shì)在于：

• 體積小巧 — 便于靈活使用及運(yùn)輸
• 原位測(cè)量 — 可放置在手套箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)原位測(cè)量
• 操作簡(jiǎn)單 — 設(shè)備無(wú)需頻繁校準(zhǔn)
• 結(jié)果準(zhǔn)確 — 使用NIST溯源的輻射校準(zhǔn)
• 測(cè)試高效 — 自動(dòng)測(cè)量和遠(yuǎn)程控制，一次多樣品測(cè)試
• 結(jié)果清晰 — 專用軟件內(nèi)嵌計(jì)算算法，直接得到測(cè)試結(jié)果
• 測(cè)試范圍 — 兼容較寬亮度范圍器件，從0.01 nit 到4*10⁶ nit

顯微光譜系統(tǒng)：針對(duì)于較小樣品的鈣鈦礦材料或器件，使用顯微光譜可更精確地觀測(cè)樣品在微觀情況下的各種性質(zhì)。顯微光譜測(cè)量系統(tǒng)集成熒光、拉曼和反射光譜測(cè)量功能。通過(guò)把光譜模塊集成到顯微鏡上，實(shí)現(xiàn)顯微熒光、拉曼和其他光譜信息的測(cè)量。系統(tǒng)由光譜儀、激光器、光源、顯微鏡等部分構(gòu)成，自由靈活，幫助用戶快速對(duì)樣品微觀結(jié)構(gòu)，微觀光譜信息的測(cè)試和分析；此外系統(tǒng)可以加裝二維電控掃描臺(tái)，通過(guò)軟件控制，實(shí)現(xiàn)光譜二維掃面測(cè)量功能。