引发太阳能电池革命的钙钛矿

随着人类社会的飞速发展，能源危机愈加凸显。如何提高太阳能的利用率，成了亟待解决的问题。近些年来，一种名为钙钛矿的新材料进入了科学家的视野，成为高效利用太阳能的希望之星。下面就让我们一起来了解一下这位冉冉升起的明星吧！

名矿而非矿

事实上，如今的钙钛矿并非特指某种矿物，而是一类具有相同结构的化合物的总称。

19世纪，钙钛矿被发现于俄罗斯。它是一种天然的矿物，由钙（Ca）、钛（Ti）和氧（O）3种元素组成，化学式为CaTiO3。自从这种矿物被发现，科学家便踏上了破解其晶体结构的漫漫长路，直到150余年后，才得以确定钙钛矿的实际结构：在这一漫长过程中，科学家对钙钛矿晶体结构的研究已经超出了对钙钛矿本身。他们发现，这种晶体结构可以赋予化合物奇妙的特性——拥有这种结构的化合物可以用通式ABX3（氧化物通常为ABO3）来表示，元素周期表中90%的金属元素都可以成为钙钛矿中的A离子或B离子。因此，渐渐地，钙钛矿由一种矿物的专属名称，转变为一类拥有相同晶体结构的化合物的名字。

知识链接：扑朔迷离的钙钛矿结构

钙钛矿被发现之初，由于科研条件所限，矿物学家只能通过光学显微镜来研究其晶体结构。至20世纪初，此时物理学的重大发现——X射线已经被广泛应用于物理学、化学和晶体学的研究中。因此，破解钙钛矿晶体结构之谜的曙光终于出现——1925年，挪威科学家首先提出了由X射线晶体衍射技术分析的钙钛矿晶体结构。然而，与19世纪末已被接受的光学性质研究结果相对照时，X射线晶体学研究者沮丧地发现二者并不完全吻合。

此后，科学家继续执着于钙钛矿结构研究。1943年，匈牙利科学家获得了进展，提出了我们现在所确定的钙钛矿结构的雏形。这一结构也成为经典的钙钛矿晶体结构，出现在了如今的教科书上。伴随着单晶X射线衍射、中子衍射以及透射电子显微镜等新技术的应用，钙钛矿晶体结构又经过一系列完善，最终确定了它的真实面目。

太阳能电池革命

伴随着新能源时代的到来，把太阳能转化为电能的太阳能电池（又称光伏电池）受到越来越广泛的关注。

2009年，科学家利用钙钛矿结构研制出一种可以将太阳能转化为电能的材料——碘化铅甲胺（CH3NH3PbI3）钙钛矿太阳能电池。我们已经知道，钙钛矿结构可以用通式ABX3来表示，碘化铅甲胺钙钛矿便是用有机甲胺离子（[CH3NH3]+）做钙钛矿结构中的A阳离子、用铅离子（Pb2+）做B阳离子、用碘离子（I-）做X阴离子得到的。这一材料迅速引发了钙钛矿太阳能电池的研究热潮。

碘化铅甲胺具有钙钛矿结构，但由于含有有机基团（甲胺离子），又不同于传统意义上的无机钙钛矿，因此被称为有机-无机杂化钙钛矿。这种材料是如何将太阳能转化为电能的呢？原来，受到这一发现的鼓舞，物理学家、化学家、材料科学家纷纷投入钙钛矿太阳能电池的研究中，致力通过各种手段提高钙钛矿太阳能电池的转化率和稳定性。在他们的不懈努力下，光电转换效率不断被刷新。如今，钙钛矿已被认为是下一代最具前景的光伏材料之一。

钙钛矿材料的其他应用

除了光电转换能力，钙钛矿材料还具有这些令人“惊艳”的特性：

在外电场的作用下，原本不导电的物质中会发生正负电荷的分离，从而在内部产生一个新的电场——这种性质被称作介电性。利用材料的介电性，可以制作一种非常重要的电子器件——电容器。材料的介电性越强，越有利于制造电容器。具有钙钛矿结构的钛酸钡（BaTiO3）就是非常好的介电材料。

20世纪初，科学家在绝对零度（0开尔文，零下273摄氏度）附近观测到电阻完全消失的超导现象。自那以后，科学家孜孜以求，希望可以找到在较高温度下实现超导的材料。1986年，瑞士的两位科学家放弃了研究金属超导体的思路，转向钡（Ba）-镧（La）-铜（Cu）-氧多相钙钛矿氧化物超导体研究，并成功在30开尔文附近观察到高温超导现象，也因此于第二年获得了诺贝尔物理学奖。钙钛矿型高温超导体的研究热潮随之而来，使超导现象的温度由30开尔文逐步升到了106开尔文，纪录不断被刷新。

在磁场发生微小变化时，巨磁阻材料的电阻可以发生超过100%的变化。利用这一性质，计算机磁盘小型化成为了现实。钙钛矿型镧-钡-锰（Mn）-氧材料的电阻变化率可以达到120000%，堪称超巨磁阻材料，这也表明钙钛矿在巨磁阻材料领域大有可为。

从钙钛矿被发现，到揭开晶体结构谜团，再到广泛应用于太阳能电池领域……钙钛矿的研究史充满了曲折，也不断带给我们惊喜。在这之中，蕴藏着无数科学家的毅力与智慧。相信在科学之光照耀下，像钙钛矿一样的传奇还会不断上演，我们的生活也将随之变得越来越美好！

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