本
文
摘
要
做为一个研究地幔的秃头博士，最近看到很多关于钙钛矿太阳能电池的报道。自2013年6月以来, 一种基于有机/无机复合钙钛矿材料的全新太阳能电池引起人们的极大关注，相关工作被Science期刊评为2013年度国际十大科技进展之一。
2013年度国际十大科技进展（图片来源：YouTube）
深思熟虑了一下，钙钛矿不是perovskite么？那个深居地下的东西，怎么也会出来晒太阳？于是乎，小编在度娘里搜了一下“钙钛矿”。发现除去没有必要的广告（广告也是太阳能电池的），“钙钛矿太阳能电池(太阳能电池类型名)-百度百科”紧随其后，还有各种相关的科研报道。
那深居地下（地球科学中）的钙钛矿和钙钛矿太阳能电池有什么区别呢？
地球科学中的钙钛矿
在地球科学领域，钙钛矿是一种名副其实的矿物。1839, 德国科学家Gustav Rose在俄国考察中在乌拉尔山脉发现元素组成为CaTiO矿物，并将其命名为"perovskite”，以纪念同名的俄国矿物学家Lev Alekseyevich von Perovski（他提议创建俄罗斯地理学会）。但是对于地幔中存在钙钛矿结构型的硅酸盐的认识直到1962年才首次提出，到了1970年代后期，科学家提出，地幔中约660 km处的地震不连续性代表了从具有尖晶石结构的橄榄石成分矿物（林伍德石）到具有铁镁橄榄石成分的钙钛矿的相变。钙钛矿结构型的硅酸盐在地球表面不稳定，主要存在于地幔的下部660km至2900km。但是完整的钙钛矿晶体也可能在陨石坑中发现，陨石冲击地表时产生的超高压力能促使地表矿物相变成钙钛矿。
Lev Alekseyevich von Perovski（图片来源：Wikipedia）
不过在2014年地球深部的钙钛矿有了新的名字：布里奇曼石（bridgmanite，为了纪念在1946年获得诺贝尔物理学奖的物理学家Percy Williams Bridgman对于高压物理学领域所做出的突出贡献）。
Percy Williams Bridgman（图片来源：Wikipedia）
布里奇曼石（Bridgmanite）深居下地幔，化学式为Mg1-xFexSiO3，具有钙钛矿结构, 它属于正交晶系, 是下地幔最主要的矿物。Tschauner等人2014年在陨石发现了钙钛矿结构型的硅酸盐的天然样品, 而后将它命名为布里奇曼石（Bridgmanite），其在下地幔的含量约占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)。
地幔矿物组成（图片来源：参考文献2）
下地幔的另外一个重要的矿物是含钙-钙钛矿，它的质量百分比约为7%，它是下地幔钙（Ca）的主要存在形式。在地幔的高温下，它最有可能以立方钙钛矿相存在，跟许多著名的功能钙钛矿材料如BaTiO、PbTiO等铁电材料一样。
基质上的钙钛矿晶体（图片来源：Wikipedia）
钙钛矿太阳能电池
钙钛矿型太阳能电池（perovskite solar cells），是利用全固态钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。这种材料制备工艺简单，成本较低。以CHNHPbI为例，将含有PbI和CHNHI的溶液，在常温下混合并进一步旋涂即可获得均匀的结晶薄膜。简单说，钙钛矿太阳能电池就是一种制作工艺简单，成本低廉，以钙钛矿结构作为吸光材料的太阳能电池。
两种典型的钙钛矿太阳能电池的结构示意图（图片来源：参考文献3）：(a)介观结构钙钛矿太阳能电池;(b)平面异质结构钙钛矿太阳能电池。
钙钛矿材料的结构通式为ABX，其中A为有机阳离子，B为金属离子，X为卤素基团。该结构中，金属B原子位于立方晶胞体心处，卤素X原子位于立方体面心，有机阳离子A位于立方体顶点位置。相比于以共棱、共面形式连接的结构，钙钛矿结构更加稳定，有利于缺陷的扩散迁移。见图如下：
钙钛矿ABX结构示意图（图片来源：参考文献3）
总结来讲，钙钛矿太阳能电池属于钙钛矿型材料，这类材料结构类似于钙钛矿，其通式为ABX，此类化合物最早被发现于钙钛矿石中的钛酸钙（CaTiO），因此而得名。到后来，钙钛矿并不单单特指这种钙钛复合氧化物，而用来泛指一系列具有ABX化学式的化合物。所以钙钛矿太阳能电池既不含钙，也不含钛，更不是一种矿石，其应该叫钙钛矿型太阳能电池。
加拿大Kelly等人制备的柔性钙钛矿太阳能电池器件实物图片（图片来源：参考文献4）
参考文献
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[3]白宇冰，王秋莹，吕瑞涛，等. 钙钛矿太阳能电池研究进展[J]. 科学通报, 2016, 61(Z1):489.
[4]魏静，赵清，李恒，等. 钙钛矿太阳能电池:光伏领域的新希望[J]. 中国科学：技术科学, 2014, 44(8):801-821.
美编：ZYN
校对：张腾飞
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来源： 中科院地质地球所
