鈣鈦礦材料是一類具有三維晶體框架的 ABX?型化合物(A 為有機(jī)或無機(jī)陽離子,B 為金屬離子,X 為鹵素離子),其晶體結(jié)構(gòu)賦予了獨(dú)特的光電特性。以典型鈣鈦礦 CH?NH?PbI?為例,其晶格中離子鍵與共價(jià)鍵的協(xié)同作用,使其在光伏、顯示等領(lǐng)域展現(xiàn)出顛覆性潛力。
鈣鈦礦材料中 B 位金屬(如鉛、錫、鍺等)及 A 位堿金屬(如銫)在結(jié)構(gòu)調(diào)控與性能優(yōu)化中起關(guān)鍵作用:
鉛(Pb²?):作為最常用 B 位金屬,其離子半徑與配位能力適配鹵素離子,形成穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu),顯著提升載流子遷移率與光電轉(zhuǎn)換效率(單結(jié)電池效率超 26%),但鉛的毒性推動(dòng)無鉛化研究。
錫(Sn²?):無毒替代金屬,通過部分或完全取代鉛(如 Sn-Pb 混合鈣鈦礦),可調(diào)節(jié)帶隙至 1.2-1.8 eV,適配疊層電池光譜需求,但其易氧化特性需通過界面鈍化(如巰基化合物修飾)提升穩(wěn)定性。
鍺(Ge²?):少量摻雜可抑制 Sn²?氧化,改善晶體缺陷,提升薄膜均勻性,在全無機(jī)鈣鈦礦(如 CsPbI?)中增強(qiáng)高溫耐受性,適用于柔性器件與戶外光伏。
銫(Cs?):A 位堿金屬,穩(wěn)定立方相晶體結(jié)構(gòu),拓寬帶隙可調(diào)范圍(1.4-2.3 eV),常見于全無機(jī)鈣鈦礦配方(如 CsPb (Br/I)?),提升器件長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性。
這些金屬通過組分調(diào)控與協(xié)同作用,支撐鈣鈦礦在光伏(高效疊層電池、柔性發(fā)電薄膜)及顯示(高色純度發(fā)光二極管)領(lǐng)域的性能突破,同時(shí)推動(dòng)無鉛化、全無機(jī)化技術(shù)迭代以平衡效率與環(huán)境友好性。
結(jié)論
鈣鈦礦技術(shù)正處于從實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)業(yè)化躍遷的臨界點(diǎn),其發(fā)展將重塑全球光伏格局。短期看,疊層技術(shù)突破和量產(chǎn)良率提升是關(guān)鍵;中長(zhǎng)期需解決穩(wěn)定性、供應(yīng)鏈和政策壁壘。若能在 2030 年前實(shí)現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)全面超越晶硅,鈣鈦礦將成為全球能源轉(zhuǎn)型的核心引擎。
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