引發(fā)太陽(yáng)能電池革命的鈣鈦礦

隨著人類社會(huì)的飛速發(fā)展，能源危機(jī)愈加突顯。如何提高太陽(yáng)能的利用率，成了亟待解決的問(wèn)題。近些年來(lái)，一種名為鈣鈦礦的新材料進(jìn)入了科學(xué)家的視野，成為高效利用太陽(yáng)能的希望之星。下面就讓我們一起來(lái)了解一下這位冉冉升起的明星吧！

?鈣鈦礦的實(shí)際結(jié)構(gòu)（供圖/薛斌）

名礦而非礦

事實(shí)上，如今的鈣鈦礦并非特指某種礦物，而是一類具有相同結(jié)構(gòu)的化合物的總稱。

19世紀(jì)，鈣鈦礦被發(fā)現(xiàn)于俄羅斯。它是一種天然的礦物，由鈣（Ca）、鈦（Ti）和氧（O）3種元素組成，化學(xué)式為CaTiO3。自從這種礦物被發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家便踏上了破解其晶體結(jié)構(gòu)的漫漫長(zhǎng)路，直到150余年后，才得以確定鈣鈦礦的實(shí)際結(jié)構(gòu)：在一個(gè)晶胞立方體中，鈣原子位于中心，8個(gè)頂角被鈦氧八面體（TiO6）所占據(jù)，氧位于晶胞立方體的棱上。

在這一漫長(zhǎng)過(guò)程中，科學(xué)家對(duì)鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)超出了對(duì)鈣鈦礦本身。他們發(fā)現(xiàn)，這種晶體結(jié)構(gòu)可以賦予化合物奇妙的特性——擁有這種結(jié)構(gòu)的化合物可以用通式ABX3（氧化物通常為ABO3）來(lái)表示，元素周期表中90%的金屬元素都可以成為鈣鈦礦中的A離子或B離子。因此，漸漸地，鈣鈦礦由一種礦物的專屬名稱，轉(zhuǎn)變?yōu)橐活悡碛邢嗤w結(jié)構(gòu)的化合物的名字。

撲朔迷離的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)

鈣鈦礦被發(fā)現(xiàn)之初，由于科研條件所限，礦物學(xué)家只能通過(guò)光學(xué)顯微鏡來(lái)研究其晶體結(jié)構(gòu)。至20世紀(jì)初，此時(shí)物理學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)——X射線已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)和晶體學(xué)的研究中。因此，破解鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)之謎的曙光終于出現(xiàn)——1925年，挪威科學(xué)家首先提出了由X射線晶體衍射技術(shù)分析的鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)。然而，與19世紀(jì)末已被接受的光學(xué)性質(zhì)研究結(jié)果相對(duì)照時(shí)，X射線晶體學(xué)研究者沮喪地發(fā)現(xiàn)二者并不完全吻合。

此后，科學(xué)家繼續(xù)執(zhí)著于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)研究。1943年，匈牙利科學(xué)家獲得了進(jìn)展，提出了我們現(xiàn)在所確定的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的雛形。這一結(jié)構(gòu)也成為經(jīng)典的鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)在了如今的教科書(shū)上。伴隨著單晶X射線衍射、中子衍射以及透射電子顯微鏡等新技術(shù)的應(yīng)用，鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)又經(jīng)過(guò)一系列完善，最終確定了它的真實(shí)面目。

?1925年提出的鈣鈦礦理想結(jié)構(gòu)：在一個(gè)晶胞立方體中，鈦位于中心，鈣位于8個(gè)頂角，而氧位于6個(gè)面的中心（供圖/薛斌）

?用有機(jī)甲胺離子、鉛離子和碘離子分別取代鈣鈦礦原來(lái)的各個(gè)離子，得到碘化鉛甲胺鈣鈦礦（繪圖/閆麗真）

太陽(yáng)能電池革命

伴隨著新能源時(shí)代的到來(lái)，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的太陽(yáng)能電池（又稱光伏電池）受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。

2009年，科學(xué)家利用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)研制出一種可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的材料——碘化鉛甲胺（CH3NH3PbI3）鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。我們已經(jīng)知道，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)可以用通式ABX3來(lái)表示，碘化鉛甲胺（CH3NH3PbI3）鈣鈦礦便是用有機(jī)甲胺離子（[CH3NH3]+）做鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的A陽(yáng)離子、用鉛離子（Pb2+）做B陽(yáng)離子、用碘離子（I-）做X陰離子得到的。這一材料迅速引發(fā)了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究熱潮。

碘化鉛甲胺具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，但由于含有有機(jī)基團(tuán)（甲胺離子），又不同于傳統(tǒng)意義上的無(wú)機(jī)鈣鈦礦，因此被稱為有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦。這種材料是如何將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的呢？原來(lái)，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦對(duì)太陽(yáng)光有很強(qiáng)的吸收能力，且在吸收太陽(yáng)光之后可以產(chǎn)生相互分離的電子和空穴（電子和空穴統(tǒng)稱為激子）。這些激子的遷移速率很快，而且可遷移距離遠(yuǎn)、壽命長(zhǎng)，激子在傳輸層的定向流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電流，由此便完成了太陽(yáng)能至電能的轉(zhuǎn)化過(guò)程。

受到這一發(fā)現(xiàn)的鼓舞，物理學(xué)家、化學(xué)家、材料科學(xué)家紛紛投入鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究中，致力通過(guò)各種手段提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化率和穩(wěn)定性。在他們的不懈努力下，光電轉(zhuǎn)換效率不斷被刷新。如今，鈣鈦礦已被認(rèn)為是下一代最具前景的光伏材料之一。

從鈣鈦礦被發(fā)現(xiàn)，到揭開(kāi)晶體結(jié)構(gòu)謎團(tuán)，再到廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電池領(lǐng)域……鈣鈦礦的研究史充滿了曲折，也不斷帶給我們驚喜。在這之中，蘊(yùn)藏著無(wú)數(shù)科學(xué)家的毅力與智慧。相信在科學(xué)之光照耀下，像鈣鈦礦一樣的傳奇還會(huì)不斷上演，我們的生活也將隨之變得越來(lái)越美好！

?鈣鈦礦太陽(yáng)能電池工作原理（供圖/薛斌）

知識(shí)擴(kuò)展

鈣鈦礦材料的其他應(yīng)用

除了光電轉(zhuǎn)換能力，鈣鈦礦材料還具有這些令人“驚艷”的特性：

介電性：在外電場(chǎng)的作用下，原本不導(dǎo)電的物質(zhì)中會(huì)發(fā)生正負(fù)電荷的分離，從而在內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)新的電場(chǎng)——這種性質(zhì)被稱作介電性。利用材料的介電性，可以制作一種非常重要的電子器件——電容器。材料的介電性越強(qiáng)，越有利于制造電容器。具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇（BaTiO3）就是非常好的介電材料。

超導(dǎo)性：20世紀(jì)初，科學(xué)家在絕對(duì)零度（0開(kāi)爾文，零下273攝氏度）附近觀測(cè)到電阻完全消失的超導(dǎo)現(xiàn)象。自那以后，科學(xué)家孜孜以求，希望可以找到在較高溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的材料。1986年，瑞士的兩位科學(xué)家放棄了研究金屬超導(dǎo)體的思路，轉(zhuǎn)向鋇（Ba）-鑭（La）-銅（Cu）-氧（O）多相鈣鈦礦氧化物超導(dǎo)體研究，并成功在30開(kāi)爾文附近觀察到高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，也因此于第二年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。鈣鈦礦型高溫超導(dǎo)體的研究熱潮隨之而來(lái)，使超導(dǎo)現(xiàn)象的溫度由30開(kāi)爾文逐步升到了106開(kāi)爾文，紀(jì)錄不斷被刷新。

巨磁阻效應(yīng)：在磁場(chǎng)發(fā)生微小變化時(shí)，巨磁阻材料的電阻可以發(fā)生超過(guò)100%的變化。利用這一性質(zhì)，計(jì)算機(jī)磁盤(pán)小型化成為了現(xiàn)實(shí)。鈣鈦礦型鑭（La）-鋇（Ba）-錳（Mn）-氧（O）材料的電阻變化率可以達(dá)到120000%，堪稱超巨磁阻材料，這也表明鈣鈦礦在巨磁阻材料領(lǐng)域大有可為。

（責(zé)任編輯 / 代竹蕊 美術(shù)編輯 / 韋英章）