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機物鈦酸鈣（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位通常代表有機陽離子，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，為鈣鈦礦材料帶來了豐富的光學(xué)和電學(xué)特性，使其在超聲波機、存儲芯片以及太陽能電池等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。

最近10多年來，研究人員關(guān)注的焦點主要集中在鹵化鉛鈣鈦礦，世界各地的實驗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-無機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，取代染料敏化太陽能電池中的染料，制備出全球第一個具有光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽能電池器件。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，韓國樸南圭團隊首次報告了效率接近10%的全固態(tài)有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池。同年，英國的亨利·斯奈斯團隊首次將Cl元素引入鈣鈦礦中，并使用無機化合物氧化鋁（Al₂O₃）替代無機化合物二氧化鈦（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，效率達到15.4%，引起世界矚目。

鈣鈦礦的光電特性研究

有機-無機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-無機雜化的鈣鈦礦，里面既有機小分子，也有無機重金屬，還有鹵素。研究人員測試后發(fā)現(xiàn)這種材料在制備工藝上與有機光電半導(dǎo)體相似，但它的光電特性又像無機材料。”上海光機所薄膜光學(xué)實驗室主任、研究員邵宇川介紹道，“當(dāng)時，新一代光伏太陽能電池課題組的研究方向主要包括染料敏化太陽能電池、量子點太陽能電池、有機太陽能電池。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)注其本身的機理和光電特性，到2016年，通過生長世界上第一個大尺寸鈣鈦礦單晶，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、輻射探測

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

5.材料特性的優(yōu)勢

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)忍匦裕�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。

6.可溶液加工和柔性器件制備

使得工藝簡單、價格低廉的大面積器件制備成為可能，進一步擴展了其在顯示、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測序和拉曼測量。

EQY量子效率測試系統(tǒng)：針對于鈣鈦礦發(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)光材料特性測試方案是一套綜合了PL，EL測試功能為一體的OLED，量子點，鈣鈦礦等材料特性測試方案。

其測試優(yōu)勢在于：

• 體積小巧 — 便于靈活使用及運輸
• 原位測量 — 可放置在手套箱內(nèi)，實現(xiàn)原位測量
• 操作簡單 — 設(shè)備無需頻繁校準(zhǔn)
• 結(jié)果準(zhǔn)確 — 使用NIST溯源的輻射校準(zhǔn)
• 測試高效 — 自動測量和遠程控制，一次多樣品測試
• 結(jié)果清晰 — 專用軟件內(nèi)嵌計算算法，直接得到測試結(jié)果
• 測試范圍 — 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樣品在微觀情況下的各種性質(zhì)。顯微光譜測量系統(tǒng)集成熒光、拉曼和反射光譜測量功能。通過把光譜模塊集成到顯微鏡上，實現(xiàn)顯微熒光、拉曼和其他光譜信息的測量。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，幫助用戶快速對樣品微觀結(jié)構(gòu)，微觀光譜信息的測試和分析；此外系統(tǒng)可以加裝二維電控掃描臺，通過軟件控制，實現(xiàn)光譜二維掃面測量功能。