钙钛矿大家族

发布时间： 2023-07-11　　点击次数： 1252次

如果你去关注一下近几年材料科学的研究进展，你就会发现一种趋势：有大量的研究人员把研究热情投入到了钙钛矿身上。钙钛矿可以制成太阳能电池，还可以制成发光二极管、催化剂，甚至可以制成未来量子计算机的元件。那么，什么是钙钛矿呢？下面，我们就解释一下和列举一些钙钛矿主要的应用前景。

钙钛矿是个大家族

从某种程度上来说，钙钛矿之所以在多个领域有着广泛的应用前景，是因为它是一个大家族。钙钛矿是具有ABX3结构的晶体材料的总称，其中A是较大的阳离子，B是较小的阳离子，X是阴离子，每个A离子被B和X离子一起构成的八面体所包围。之前所发现的第一种钙钛矿，是天然矿物钛酸钙（CaTiO₃）。研究人员把所有具有ABX₃结构的晶体材料都称为钙钛矿。比如BiFeO₃、CsPbI₃等。元素周期表中90%的金属元素都可以成为钙钛矿的A或B离子。研究人员就制造出了大量的有着相同结构但元素组成不同的晶体。

制成催化剂

把钙钛矿氧化物制成催化剂，就是在钙钛矿结构中加入少量具有高度催化活性的金属。例如，可以用钌代替钙钛矿氧化物中约5%的B阳离子，测试显示，与其他钌化合物催化剂相比，这样的钙钛矿氧化物可以在只使用少量钌金属的情况下，提供同等催化效果。研究人员制成各种高效的催化剂，一些可以把汽车尾气中一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物等有毒气体迅速氧化，来起到过滤作用；一些可将二氧化碳还原为有用的碳氢化合物，并减少这种温室气体的排放；还有一些催化剂可以在电解水的反应中发挥催化作用。

可把光电互为转换

20世纪70年代末，人们就研制出了有机卤化铅钙钛矿，其中甲基铵（CH₃NH₃⁺）或甲脒氢（CH(NH₂)₂⁺）离子形成了钙钛矿结构中的A阳离子，铅为B阳离子，氯、溴或碘阴离子则为X阴离子。在最近20几年，研究人员就发现有机卤化铅钙钛矿具有光伏特性，可以把光能转换为电能。这种钙钛矿制造成本低，光电转化效率高等优势（当前其转换效率已提高到约21%）。钙钛矿太阳能电池已成为近几年热门的研究课题。

此外，有机卤化铅钙钛矿还可以把电能转换为光能，也可以用来制成照明或显示器中所使用的发光二极管，甚至可以制成激光器。

前面提到钙钛矿可以把光能转换为电能，即钙钛矿可以吸收可见光，科学家还发现，钙钛矿不仅能吸收可见光，一些钙钛矿也能吸收伽马射线。

成为量子计算机的元件

如果使有机卤化铅钙钛矿足够小，小到成为了纳米晶体的话，那么它就可成为一种每次发射出单个光子的发射器。这种钙钛矿纳米晶体可以在量子通信中得到很大的应用。而钙钛矿制成的单光子发射器，可以为量子通信提供所使用的光子。如果研究人员能找到利用多个钙钛矿纳米晶体产生大量处于纠缠状态的光子对的办法，那么钙钛矿纳米晶体另一个应用则是光量子计算机。

光量子计算机的量子比特就是用光子的某些量子状态来表示的。当前，光量子计算机的研究挑战是找到能够快速产生大量纠缠光子的材料。到目前为止研制的器件产生纠缠光子的速度都非常慢，但钙钛矿纳米晶体可能会改变这种情况。

全有机钙钛矿

2018年，中国东南大学的研究人员创造了总共23种不含金属的钙钛矿，其中钙钛矿中A和B离子全都是有机阳离子组成的，而阴离子则是氯、溴或碘阴离子，这就是全有机钙钛矿。

东南大学的研究人员想用全有机钙钛矿制造一种更好的压电材料。压电材料是一种可在压力作用下产生电能的材料，它们广泛应用于声纳和超声波成像、车辆安全气囊传感器和计算机部件等领域中。

钙钛矿电池

中国和加拿大的科学家共同研究了一种添加剂，可以与钙钛矿光伏组件中的有机材料形成共价键，从而减少缺陷并大大减少降解机制的影响。

的确，钙钛矿领域真正的挑战是器件稳定性。所有钙钛矿材料都存在不同程度的分解现象，尤其是当暴露在高湿度，高温，强光，富氧等情况下时，钙钛矿的分解过程会被加速。特别是高湿度情况下，钙钛矿衰败尤为严重。这项研究横空出世，为钙钛矿电池性能的提升提供了新颖有效的策略，为实现高效和超稳定的钙钛矿电池做出贡献。

卤化铅钙钛矿

卤化铅钙钛矿是一种很有前途的太阳能收集半导体材料。围绕钙钛矿毒性问题的一个基本问题是，是否有可能在不含铅的情况下实现钙钛矿的优异光电性能。但无铅钙钛矿太阳能电池的功率转换效率和稳定性仍远低于卤化铅钙钛矿光伏电池。研究很多的材料是锡（Sn）基钙钛矿。目前，就钙钛矿晶体的光电性能以及热力学和环境稳定性而言，铅是最有前途的元素。

卤化铅钙钛矿可以晶粒封装通过将钙钛矿颗粒包裹在疏水性有机物或不溶性铅盐，可以有效地阻断水进入和离子流出的通道。铅络合通过合理的添加剂工程形成铅-添加剂复合物的低溶解度产物（K_sp）来降低降解钙钛矿中铅化合物的溶解度。结构集成通过提高组成元素的结合强度、集成体连接性和界面内聚力，钙钛矿结构在器件内的集成能够增加水渗透、结构碎裂和分层的能垒，从而提高结构稳定性，防止水溶解和铅泄漏。泄漏铅的吸附由于铅固存效率（SQE）与吸附位点的密度直接相关，负载材料应充足，以确保足够的铅吸附能力。