引發太陽能電池革命的鈣鈦礦

隨著人類社會的飛速發展，能源危機愈加突顯。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！

?鈣鈦礦的實際結構（供圖/薛斌）

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構的化合物的總稱。

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

在這一漫長過程中，科學家對鈣鈦礦晶體結構的研究已經超出了對鈣鈦礦本身。他們發現，這種晶體結構可以賦予化合物奇妙的特性——擁有這種結構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，轉變為一類擁有相同晶體結構的化合物的名字。

撲朔迷離的鈣鈦礦結構

鈣鈦礦被發現之初，由于科研條件所限，礦物學家只能通過光學顯微鏡來研究其晶體結構。至20世紀初，此時物理學的重大發現——X射線已經被廣泛應用于物理學、化學和晶體學的研究中。因此，破解鈣鈦礦晶體結構之謎的曙光終于出現——1925年，挪威科學家首先提出了由X射線晶體衍射技術分析的鈣鈦礦晶體結構。然而，與19世紀末已被接受的光學性質研究結果相對照時，X射線晶體學研究者沮喪地發現二者并不完全吻合。

此后，科學家繼續執著于鈣鈦礦結構研究。1943年，匈牙利科學家獲得了進展，提出了我們現在所確定的鈣鈦礦結構的雛形。這一結構也成為經典的鈣鈦礦晶體結構，出現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的應用，鈣鈦礦晶體結構又經過一系列完善，最終確定了它的真實面目。

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

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

太陽能電池革命

伴隨著新能源時代的到來，把太陽能轉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注。

2009年，科學家利用鈣鈦礦結構研制出一種可以將太陽能轉化為電能的材料——碘化鉛甲胺（CH3NH3PbI3）鈣鈦礦太陽能電池。我們已經知道，鈣鈦礦結構可以用通式ABX3來表示，碘化鉛甲胺（CH3NH3PbI3）鈣鈦礦便是用有機甲胺離子（[CH3NH3]+）做鈣鈦礦結構中的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構，但由于含有有機基團（甲胺離子），又不同于傳統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化為電能的呢？原來，有機-無機雜化鈣鈦礦對太陽光有很強的吸收能力，且在吸收太陽光之后可以產生相互分離的電子和空穴（電子和空穴統稱為激子）。這些激子的遷移速率很快，而且可遷移距離遠、壽命長，激子在傳輸層的定向流動會產生電流，由此便完成了太陽能至電能的轉化過程。

受到這一發現的鼓舞，物理學家、化學家、材料科學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化率和穩定性。在他們的不懈努力下，光電轉換效率不斷被刷新。如今，鈣鈦礦已被認為是下一代最具前景的光伏材料之一。

從鈣鈦礦被發現，到揭開晶體結構謎團，再到廣泛應用于太陽能電池領域……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，蘊藏著無數科學家的毅力與智慧。相信在科學之光照耀下，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！

?鈣鈦礦太陽能電池工作原理（供圖/薛斌）

知識擴展

鈣鈦礦材料的其他應用

除了光電轉換能力，鈣鈦礦材料還具有這些令人“驚艷”的特性：

介電性：在外電場的作用下，原本不導電的物質中會發生正負電荷的分離，從而在內部產生一個新的電場——這種性質被稱作介電性。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。具有鈣鈦礦結構的鈦酸鋇（BaTiO3）就是非常好的介電材料。

超導性：20世紀初，科學家在絕對零度（0開爾文，零下273攝氏度）附近觀測到電阻完全消失的超導現象。自那以后，科學家孜孜以求，希望可以找到在較高溫度下實現超導的材料。1986年，瑞士的兩位科學家放棄了研究金屬超導體的思路，轉向鋇（Ba）-鑭（La）-銅（Cu）-氧（O）多相鈣鈦礦氧化物超導體研究，并成功在30開爾文附近觀察到高溫超導現象，也因此于第二年獲得了諾貝爾物理學獎。鈣鈦礦型高溫超導體的研究熱潮隨之而來，使超導現象的溫度由30開爾文逐步升到了106開爾文，紀錄不斷被刷新。

巨磁阻效應：在磁場發生微小變化時，巨磁阻材料的電阻可以發生超過100%的變化。利用這一性質，計算機磁盤小型化成為了現實。鈣鈦礦型鑭（La）-鋇（Ba）-錳（Mn）-氧（O）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域大有可為。

（責任編輯 / 代竹蕊 美術編輯 / 韋英章）