新型無鉛鈣鈦礦納米材料的制備及其光學(xué)性質(zhì)分析

張永軍

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207）

相比較傳統(tǒng)的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)，以及其他類型的材料，新型無鉛鈣鈦礦納米材料，化學(xué)結(jié)構(gòu)異常優(yōu)異，因此它具有較為突出的電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)。倘若相關(guān)技術(shù)研究人員可以在供電領(lǐng)域，進(jìn)行該種類材料的更深入研究，那么該類材料或許會(huì)在未來的科學(xué)發(fā)展中發(fā)揮更為巨大的作用。早在多年以前，鈣鈦礦納米材料就已經(jīng)被科研人員所重視，由于其中的鉛含量成為了制約其發(fā)展的桎梏[1]。因此這一類材料的研究呈現(xiàn)出止步不前的狀態(tài)，而無鉛類型的鈣鈦礦納米材料的出現(xiàn)，打破了鉛元素的桎梏現(xiàn)狀，給有關(guān)材料的制備和研究帶來了新的思路。

1 無鉛鈣鈦礦納米材料制備重要性分析

早在無鉛鈣鈦礦納米材料出現(xiàn)之前，有關(guān)技術(shù)研究人員就已經(jīng)對(duì)含鉛的鈣鈦礦納米材料有了深入的研究與實(shí)驗(yàn)。這一類材料雖然有極其優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)與電學(xué)性質(zhì)，在未來的光電領(lǐng)域或許能夠發(fā)揮極大的作用。但由于相關(guān)材料內(nèi)部的鉛含量比重較大，因此相關(guān)研究并未進(jìn)一步深入下去。尤其是將其用于太陽能電池制作過程中后，相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)，其中鉛元素的毒性是事故有關(guān)材料制備的最大障礙。相比較其他元素而言，鉛元素需要花費(fèi)大量的時(shí)間才能夠得到降解，因此它在自然生態(tài)系統(tǒng)中會(huì)長時(shí)間穩(wěn)定存在，不能為人力所消除。倘若自然生態(tài)系統(tǒng)中的土壤資源以及水資源與鉛元素結(jié)合，那么便會(huì)造成大量自然資源的污染[2]。這一類污染將會(huì)影響到人類文明的未來發(fā)展以及人類本身的生存繁衍。因此含鉛的鈣鈦礦納米材料無法進(jìn)行大規(guī)模的制備與使用，否則地球上的鉛元素污染將會(huì)進(jìn)一步加重，給人類未來發(fā)展帶來十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了避免有關(guān)現(xiàn)象的產(chǎn)生，相關(guān)技術(shù)研究人員嘗試進(jìn)行無鉛鈣鈦礦納米材料的研究與制備。這對(duì)于新型材料技術(shù)的發(fā)明，以及未來太陽能電池材料的選擇都能夠起到極其重要的作用。因此從這個(gè)方面來看，進(jìn)行無鉛鈣鈦礦納米材料的制備與使用是很有必要的，也是很有意義的。

2 相關(guān)制備方法分析

通常無鉛鈣鈦礦納米材料會(huì)被制備成鈣鈦礦薄膜來進(jìn)行日常的使用，如果鈣鈦礦納米材料的制造工藝出現(xiàn)了問題，不可能用該類材料來制造醋的光電器件，性能也會(huì)出現(xiàn)問題，因此，相關(guān)技術(shù)研究人員研究出了多種進(jìn)行無鉛鈣鈦礦薄膜制作的方式[3]。其中最為常用的兩種是溶液處理方式和氣象沉積方式。

2.1 溶液處理法

相比較其他的制作方式而言，溶液處理法具有操作簡單的優(yōu)勢(shì)。只要將錢具體放置在混合溶液中，并可以通過涂層和印刷的方法來進(jìn)行相關(guān)薄膜的制備。在早期使用溶液處理法進(jìn)行無鉛鈣鈦礦納米薄膜材料制備的過程中，技術(shù)研究人員通常都使用一部選舉法來進(jìn)行相應(yīng)薄膜的制備，但這種方式所制備出的薄膜覆蓋率較低，并且表面比較粗糙，因此使用這種材料來進(jìn)行光電器件制造會(huì)導(dǎo)致有關(guān)器件的性能無法達(dá)到最佳狀態(tài)。具體說來，在使用一步法的過程中，需要將混合溶液旋涂在基底上，使得溶液進(jìn)行蒸發(fā)。在溶液蒸發(fā)的過程中，無鉛鈣鈦礦便可以進(jìn)行結(jié)晶，最終在基底上形成一層薄膜。但在一步選圖法的施展過程中，無法進(jìn)行溶液蒸發(fā)速率的控制，如果溶液蒸發(fā)速率太快，那么無鉛鈣鈦礦的結(jié)晶形成程度也會(huì)較快，這很可能會(huì)使得徹底的覆蓋率降低，終導(dǎo)致薄膜的制備質(zhì)量出現(xiàn)問題。因此一步法之所以存在缺陷，會(huì)導(dǎo)致制造表面不夠光滑，實(shí)際上是因?yàn)槿芤赫舭l(fā)的過程難以得到控制。為了使得相關(guān)溶液處理法能夠得到更好的使用，開始有技術(shù)研究人員嘗試使用兩步法來幫助進(jìn)行薄膜覆蓋率的改善。只有兩部法能夠幫助進(jìn)行溶液蒸發(fā)速率的控制，未來無鉛鈣鈦礦材料的結(jié)晶速率也就能夠得到相應(yīng)的控制，原本會(huì)出現(xiàn)許多針孔狀的表面薄膜，會(huì)變得更加光滑。這樣一來，溶液處理法便能夠得到更加完美的使用。就現(xiàn)階段而言，比較其他的無鉛鈣鈦礦納米材料制備技術(shù)，溶液處理法顯得更加靈活簡單，因此該類方法的使用率較高。但需要注意的是，相關(guān)方法仍然需要進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)與完善，才能夠獲得更加良好的使用。

2.2 氣相沉積法

氣相沉積法是現(xiàn)階段使用率較高的另一種無鉛鈣鈦礦薄膜材料制備技術(shù)。與溶液處理法相比較，這一類制備技術(shù)能形成更加均勻的薄膜覆蓋，形成的薄膜不但針孔較少，并且顆粒非常均勻，這種方式所制備出的無鉛鈣鈦礦納米材料一旦被選擇進(jìn)行充當(dāng)光電器件制備的材料，可以較好的發(fā)揮有關(guān)光電器件的性能。但這一類材料的制備并非全無缺點(diǎn)。相比較溶液處理法而言，氣相沉積法的使用對(duì)周遭的環(huán)境有更高的要求，對(duì)使用相關(guān)技術(shù)的工作人員的專業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)也有更高的要求。因此該類方法的使用準(zhǔn)入門檻較高。在薄膜形成期間，使用這種方式進(jìn)行無鉛鈣鈦礦薄膜材料的制備需要一直保持外部的環(huán)境處于真空狀態(tài)。倘若外部環(huán)境的真空狀態(tài)被打破，那么相關(guān)薄膜材料的制備質(zhì)量就無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。但如果要進(jìn)行真空狀態(tài)的維持，勢(shì)必要耗費(fèi)更多的能量和更多的資金投入。因此相比較溶液處理法而言，氣相沉積法的性價(jià)比并不高。未來的相關(guān)技術(shù)研究人員試圖從降低成本的角度出發(fā)，來幫助進(jìn)行氣相沉積法使用的低性能改進(jìn)。

2.3 蒸汽輔助溶液法

由于溶液處理法和氣相沉積法兩種方法都存在明顯的缺陷，因此相應(yīng)技術(shù)研究人員嘗試使用一種更加全新的混合方法，來幫助進(jìn)行無鉛鈣鈦礦納米材料的制備。這種方法便是蒸汽輔助溶液法。使用這種方式，相關(guān)技術(shù)人員既要進(jìn)行溶液的蒸發(fā)，又要進(jìn)行溶液的旋涂，相比較溶液處理法而言，這種材料制備方式，能夠更好的保障薄膜材料的表面光滑均勻，這樣一來所制作出的光電器件性能就能達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。而與氣相沉積法相比，使用蒸汽輔助溶液法來進(jìn)行相應(yīng)薄膜的制備，又不需要保證外部環(huán)境的真空。因此該類方法與氣相沉積法相比，并不需要耗費(fèi)過高的成本。從這兩個(gè)角度來看，蒸汽輔助溶液法要比溶液處理法和氣相沉積法都更具有優(yōu)勢(shì)。因此該類方法可以進(jìn)行廣泛的推廣與使用。

3 光學(xué)性能及應(yīng)用分析

新型的無鉛鈣鈦礦納米材料出現(xiàn)之后，這種材料優(yōu)越的光電性能使得其能夠在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行良好的應(yīng)用。下文將對(duì)其光學(xué)性能及應(yīng)用進(jìn)行深入的研究與分析。

3.1 在光伏上的應(yīng)用

相比較傳統(tǒng)的si基太陽能電池而言，無鉛的鈣鈦礦納米材料具有十分優(yōu)異的光電性能，因此，在進(jìn)行太陽能電池的制備過程中，該材料的使用具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。首先作為太陽能電池中最主要的光吸收材料，它與傳統(tǒng)材料的太陽能電池相比，具有更加高效的光電轉(zhuǎn)換率，它在可溶液處理光伏技術(shù)上的表現(xiàn)也較為令人驚嘆。相比較傳統(tǒng)的太陽能電池制備材料而言，無鉛鈣鈦礦納米材料能夠兼容各類溶液處理方式，因此它能夠進(jìn)行，較為符合人類生產(chǎn)期待的薄膜光伏技術(shù)建立。相應(yīng)材料的制備也不沒有太高程度上的要求，因此現(xiàn)階段地球所蘊(yùn)含的能夠幫助進(jìn)行無鉛鈣鈦礦納米材料制備的原料較為豐富，能夠被有關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行大規(guī)模的低成本生產(chǎn)。因此其在光伏上的應(yīng)用顯得尤為出眾。

3.2 在儲(chǔ)存設(shè)備上進(jìn)行應(yīng)用

使用傳統(tǒng)的鈣鈦礦材料來進(jìn)行儲(chǔ)存器件設(shè)備的制作與運(yùn)用過程中，相關(guān)技術(shù)研究人員必須要對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行高溫退火，這種加工方式既要耗費(fèi)大量的成本，又需要耗費(fèi)大量的材料。但倘若使用無鉛的鈣鈦礦納米技術(shù)應(yīng)用在相應(yīng)的存儲(chǔ)設(shè)備上，這可以通過各種溶液加工的方式，來幫助進(jìn)行有關(guān)材料制備和結(jié)晶。這樣一來，相關(guān)材料在存儲(chǔ)設(shè)備上應(yīng)用的成本就得到了大幅度的降低，也不至于浪費(fèi)太多的原料素材來進(jìn)行有關(guān)材料的制備。并且相比較傳統(tǒng)的制作生產(chǎn)材料而言，無鉛的鈣鈦礦納米材料具有較好的耐久性和使用壽命，因此較為適合在存儲(chǔ)設(shè)備上進(jìn)行使用。

3.3 在鋰離子電池中進(jìn)行使用

相比較傳統(tǒng)的鋰離子電池制備材料而言，無鉛鈣鈦礦納米材料中的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)具有靈活和多樣的特性，因此更適宜在鋰離子電池生產(chǎn)中進(jìn)行使用。相應(yīng)技術(shù)研究人員在現(xiàn)階段的鋰離子電池制備過程中，想要進(jìn)行電極穩(wěn)定性的突破，并且?guī)椭M(jìn)行現(xiàn)階段相應(yīng)電池開發(fā)成本的降低，并且尋找到更具高性能的負(fù)極材料來幫助進(jìn)行相應(yīng)電池的生產(chǎn)。為了使得鋰離子電池達(dá)到更加完美的使用性能，有關(guān)技術(shù)研究人員嘗試使用含鉛的鈣鈦礦材料來進(jìn)行相應(yīng)電池的生產(chǎn)與制備。但由于其中的鉛元素對(duì)環(huán)境并不友好，因此有關(guān)生產(chǎn)與制備的研究陷于停滯。在無鉛鈣鈦礦納米材料出現(xiàn)后，相應(yīng)技術(shù)研究人員便開始嘗試使用無鉛鈣鈦礦材料來代替，原本含鉛的鈣鈦礦材料，進(jìn)行有關(guān)鋰離子電池的生產(chǎn)與使用。這種材料的使用能夠幫助進(jìn)行電池穩(wěn)定性的突破，還能夠幫助降低有關(guān)鋰離子電池生產(chǎn)中所投入的資金成本。更重要的是，相關(guān)材料的使用還不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何不利的影響。并且相比較傳統(tǒng)的制備材料而言，無鉛鈣鈦礦納米材料具有十分優(yōu)異的高離子導(dǎo)電率。因此該類材料很適合在鋰離子電池中進(jìn)行應(yīng)用，未來的鋰離子電池生產(chǎn)過程也可以嘗試使用有關(guān)材料來幫助進(jìn)行相關(guān)電池性能的提升。

4 結(jié)語

總而言之，無鉛鈣鈦礦納米材料作為一種新型材料，具有較好的光電性能。能夠在未來的社會(huì)發(fā)展中滿足人們的生活期待。該材料具有十分廣闊的使用前景和較為廣闊的發(fā)展空間，值得有關(guān)技術(shù)研究人員進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究與使用。該材料的使用也符合環(huán)境友好型的未來社會(huì)發(fā)展理念，因此相關(guān)技術(shù)研究人員應(yīng)當(dāng)引起重視。