鈣鈦礦大有可為（不一樣的鈣鈦礦）

2023-07-26 02:22:23

做為一個研究地幔的禿頭博士，最近看到很多關於鈣鈦礦太陽能電池的報導。自2013年6月以來, 一種基於有機/無機複合鈣鈦礦材料的全新太陽能電池引起人們的極大關注，相關工作被Science期刊評為2013年度國際十大科技進展之一。

2013年度國際十大科技進展（圖片來源：YouTube）

深思熟慮了一下，鈣鈦礦不是perovskite麼？那個深居地下的東西，怎麼也會出來曬太陽？於是乎，小編在度娘裡搜了一下「鈣鈦礦」。發現除去沒有必要的廣告（廣告也是太陽能電池的），「鈣鈦礦太陽能電池(太陽能電池類型名)-百度百科」緊隨其後，還有各種相關的科研報導。

那深居地下（地球科學中）的鈣鈦礦和鈣鈦礦太陽能電池有什麼區別呢？

地球科學中的鈣鈦礦

在地球科學領域，鈣鈦礦是一種名副其實的礦物。1839, 德國科學家Gustav Rose在俄國考察中在烏拉爾山脈發現元素組成為CaTiO3礦物，並將其命名為"perovskite」，以紀念同名的俄國礦物學家Lev Alekseyevich von Perovski（他提議創建俄羅斯地理學會）。但是對於地幔中存在鈣鈦礦結構型的矽酸鹽的認識直到1962年才首次提出，到了1970年代後期，科學家提出，地幔中約660 km處的地震不連續性代表了從具有尖晶石結構的橄欖石成分礦物（林伍德石）到具有鐵鎂橄欖石成分的鈣鈦礦的相變。鈣鈦礦結構型的矽酸鹽在地球表面不穩定，主要存在於地幔的下部660km至2900km。但是完整的鈣鈦礦晶體也可能在隕石坑中發現，隕石衝擊地表時產生的超高壓力能促使地表礦物相變成鈣鈦礦。

Lev Alekseyevich von Perovski（圖片來源：Wikipedia）

不過在2014年地球深部的鈣鈦礦有了新的名字：布裡奇曼石（bridgmanite，為了紀念在1946年獲得諾貝爾物理學獎的物理學家Percy Williams Bridgman對於高壓物理學領域所做出的突出貢獻）。

Percy Williams Bridgman（圖片來源：Wikipedia）

布裡奇曼石（Bridgmanite）深居下地幔，化學式為Mg1-xFexSiO3，具有鈣鈦礦結構, 它屬於正交晶系, 是下地幔最主要的礦物。Tschauner等人2014年在隕石發現了鈣鈦礦結構型的矽酸鹽的天然樣品, 而後將它命名為布裡奇曼石（Bridgmanite），其在下地幔的含量約佔80%(pyrolite成分模型，地幔模型之一)或者更高(piclogite成分模型，地幔模型之一)。

地幔礦物組成（圖片來源：參考文獻2）

下地幔的另外一個重要的礦物是含鈣-鈣鈦礦，它的質量百分比約為7%，它是下地幔鈣（Ca）的主要存在形式。在地幔的高溫下，它最有可能以立方鈣鈦礦相存在，跟許多著名的功能鈣鈦礦材料如BaTiO3、PbTiO3等鐵電材料一樣。

基質上的鈣鈦礦晶體（圖片來源：Wikipedia）

鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦型太陽能電池（perovskite solar cells），是利用全固態鈣鈦礦型的有機金屬滷化物半導體作為吸光材料的太陽能電池，屬於第三代太陽能電池，也稱作新概念太陽能電池。這種材料製備工藝簡單，成本較低。以CH3NH3PbI3為例，將含有PbI2和CH3NH3I的溶液，在常溫下混合併進一步旋塗即可獲得均勻的結晶薄膜。簡單說，鈣鈦礦太陽能電池就是一種製作工藝簡單，成本低廉，以鈣鈦礦結構作為吸光材料的太陽能電池。

兩種典型的鈣鈦礦太陽能電池的結構示意圖（圖片來源：參考文獻3）：(a)介觀結構鈣鈦礦太陽能電池;(b)平面異質結構鈣鈦礦太陽能電池。

鈣鈦礦材料的結構通式為ABX3，其中A為有機陽離子，B為金屬離子，X為滷素基團。該結構中，金屬B原子位於立方晶胞體心處，滷素X原子位於立方體面心，有機陽離子A位於立方體頂點位置。相比於以共稜、共面形式連接的結構，鈣鈦礦結構更加穩定，有利於缺陷的擴散遷移。見圖如下：

鈣鈦礦ABX3結構示意圖（圖片來源：參考文獻3）

總結來講，鈣鈦礦太陽能電池屬於鈣鈦礦型材料，這類材料結構類似於鈣鈦礦，其通式為ABX3，此類化合物最早被發現於鈣鈦礦石中的鈦酸鈣（CaTiO3），因此而得名。到後來，鈣鈦礦並不單單特指這種鈣鈦複合氧化物，而用來泛指一系列具有ABX3化學式的化合物。所以鈣鈦礦太陽能電池既不含鈣，也不含鈦，更不是一種礦石，其應該叫鈣鈦礦型太陽能電池。