引發(fā)太陽能電池革命的鈣鈦礦

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

名礦而非礦

事實上，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，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)的漫漫長路，直到150余年后，才得以確定鈣鈦礦的實際結(jié)構(gòu)：在這一漫長過程中，科學(xué)家對鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)超出了對鈣鈦礦本身。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。

知識鏈接：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)家只能通過光學(xué)顯微鏡來研究其晶體結(jié)構(gòu)。至20世紀初，此時物理學(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世紀末已被接受的光學(xué)性質(zhì)研究結(jié)果相對照時，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)過一系列完善，最終確定了它的真實面目。

太陽能電池革命

伴隨著新能源時代的到來，把太陽能轉(zhuǎn)化為電能的太陽能電池（又稱光伏電池）受到越來越廣泛的關(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能轉(zhuǎn)化為電能的材料——碘化鉛甲胺（CH3NH3PbI3）鈣鈦礦太陽能電池。我們已經(jīng)知道，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)可以用通式ABX3來表示，碘化鉛甲胺鈣鈦礦便是用有機甲胺離子（[CH3NH3]+）做鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的A陽離子、用鉛離子（Pb2+）做B陽離子、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)，但由于含有有機基團（甲胺離子），又不同于傳統(tǒng)意義上的無機鈣鈦礦，因此被稱為有機-無機雜化鈣鈦礦。這種材料是如何將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的呢？原來，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能電池的研究中，致力通過各種手段提高鈣鈦礦太陽能電池的轉(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，鈣鈦礦已被認為是下一代最具前景的光伏材料之一。

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：

在外電場的作用下，原本不導(dǎo)電的物質(zhì)中會發(fā)生正負電荷的分離，從而在內(nèi)部產(chǎn)生一個新的電場——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，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。

20世紀初，科學(xué)家在絕對零度（0開爾文，零下273攝氏度）附近觀測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）-氧多相鈣鈦礦氧化物超導(dǎo)體研究，并成功在30開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。鈣鈦礦型高溫超導(dǎo)體的研究熱潮隨之而來，使超導(dǎo)現(xiàn)象的溫度由30開爾文逐步升到了106開爾文，紀錄不斷被刷新。

在磁場發(fā)生微小變化時，巨磁阻材料的電阻可以發(fā)生超過100%的變化。利用這一性質(zhì)，計算機磁盤小型化成為了現(xiàn)實。鈣鈦礦型鑭-鋇-錳（Mn）-氧材料的電阻變化率可以達到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。

從鈣鈦礦被發(fā)現(xiàn)，到揭開晶體結(jié)構(gòu)謎團，再到廣泛應(yīng)用于太陽能電池領(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，蘊藏著無數(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不斷上演，我們的生活也將隨之變得越來越美好！

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