仅仅替换晶体里面的几种离子，同一种骨架，就能变身光伏材料、超导材料。钙钛矿，就是这么神奇。
01
太阳能电池革命
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。这一材料迅速引发了钙钛矿太阳能电池的研究热潮。
钙钛矿结构可以用通式ABX3来表示，碘化铅甲胺（CH3NH3PbI3）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。
用有机甲胺离子、铅离子和碘离子分别取代钙钛矿原来的各个离子，得到碘化铅甲胺钙钛矿（绘图/闫丽真）
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，有机-无机杂化钙钛矿对太阳光有很强的吸收能力，且在吸收太阳光之后可以产生相互分离的电子和空穴（电子和空穴统称为激子）。这些激子的迁移速率很快，而且可迁移距离远、寿命长，激子在传输层的定向流动会产生电流，由此便完成了太阳能至电能的转化过程。
钙钛矿太阳能电池工作原理（供图/薛斌）
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。
02
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：
介电性：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（BaTiOs）就是非常好的介电材料。
1925年提出的钙钛矿理想结构（供图/薛斌）
超导性：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。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（O）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。
钙钛矿的实际结构（供图/薛斌）
巨磁阻效应：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（La）-钡（Ba）-锰（Mn）-氧（O）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。
材料的突破，正在打破我们对太阳能板的固有想象。
小小的离子替换，打开了材料世界的万千可能。来聊聊，你还知道哪些“百变”的材料？
责任编辑｜赵青云
运营编辑｜李雅欣
质量审核 | 原飞燕
图文来源 | 《知识就是力量》杂志《引发太阳能电池革命的钙钛矿》，撰文/薛斌（上海海洋大学），原文有删改，原创作品转载请注明来源。
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