钙钛矿与钙钛矿型材料的研究

班加星

摘 要：简要叙述有关钙钛矿的物化性质，以及钙钛矿在地表的常见成因及产状。了解钙钛矿独特的八面体晶型结构，及共顶桥氧连接方式，明确这种结构的离子可替换性。简要介绍在离子可替换性的基础上进行的材料优化原理及应用，具体叙述有关太阳能电池板的应用及原理。最后进行简要的概括总结，提出自己的研究想法。

关键词：钙钛矿 钙钛矿型材料 八面体晶型 共顶桥氧连接 离子替换 材料优化

一、钙钛矿概述

1.钙钛矿的化学组成

主要成分是CaTiO3，氧化钙的含量为41.24%，二氧化钛的含量为58.76%，类质同

象混入元素可有Na，K，Ce，Fe，Nb，Ta，Nd，La等。

2.钙钛矿的成因

地表上的钙钛矿的形成主要原因有三种，分别是：第一，在地幔附近的钙钛矿随着火山的喷发运动，跟随岩浆被一起喷出地表。第二，在岩浆喷出的过程中，由于本身岩浆热液的高温，使得地表附近的黄长石发生相变，最终形成钙钛矿。第三，由于陨石的撞击，在高压之下使地表的岩石发生相变，进而也形成钙钛矿。

3.钙钛矿的单晶胞结构

其中Ca2+占据晶胞的八个角顶，Ti4+占据的是晶胞的体心，O2-占据的是六个面的中心，O2-和半径较大Ca2+形成面心立方最密堆积结构，Ti4+填充在位于体心的八面体间隙中。

在离子共用及分配比例上看，在一个晶胞中平均有一个Ca2+，一个Ti4+，和三个O2-。因此，钙钛矿的晶体结构通常简化成“113”式结构。

4.钙钛矿晶胞间的组合方式及特点

晶胞与晶胞之间是相互平行重复排列的，八面体与八面体之间角顶与角顶相互连接，上下整齐的罗列在一起。

八个钙钛矿小晶胞，并且每一个小晶体之间都是以桥氧连接的，形成三维结构框架，根据泡利的配多面体连接规则，这种结构比共棱、共面连接稳定。同时，共顶连接使八面体之间的空隙比共棱、共面连接时要大得多，允许较大尺寸的粒子填入，即使产生大量的晶体缺陷时，仍然能保持结构的相对稳定。同时，这种结构排列的方式，方便每个角上的离子的替换，化学性质优化更加容易。

二、钙钛矿型太阳能电池

1.钙钛矿型结构材料

在钙钛矿八面体结构的影响之下，一系列的ABX3型结构的分子材料应运而生。它们被统一叫做钙钛矿型材料，是一种半导体，我们得出在凝固态物理理论研究层面上，钙钛矿它既不含Ca，也不含Ti，同时也不是矿石，它们所指的钙钛矿型材料是具有ABX3结构形式的物质，这种物质通常用来制作光伏电池等材料。

2. 钙钛矿型结构材料的优化方式

对于ABX3型结构的分子，我们可以对其每个位置进行离子或离子团级别的替换，并以此来实现分子性能的改变。寻找到合适的太阳能电池材料也是通过这种方法实现的。

3.钙钛矿型材料的最初优化

在1978年Weber和Naturforsch首先報道了有机金属卤化物ABX3（在相应的ABX3结构位置对应中，A为CH3NH3有机离子团，B为Pb或Sn，X为Cl，Br或I）甲基铵首次在卤化物钙钛矿中出现，而且通常为立方钙钛矿型结构。有机金属卤化物CH3NH3MX3通常是作为一种半导体染料。

4.钙钛矿型材料作为太阳能电池板的相关优点

这种优化过的材料原子核对于核外电子的束缚能量不是很强，因此，这种钙钛矿型半导体染料在受到太阳能的照射时，核外电子很容易摆脱原子核的束缚形成电流。这样产生的激子只有约0.03电子伏的束缚能，在常温下很容易形成自由电子与空穴。因此，正好满足钙钛矿型太阳能电池的供能需要，正是由于很容易形成空穴与电子，才更容易传输电流。

三、总结与展望

钙钛矿有很多作为宝玉石的优良的物理性质，并且也有很简单的化学组成，物质组成先对来讲比较均一，产状很特殊，一般可以在火成岩中找到，在地表不是很常见，一般都在地幔附近，在地表的成因也很广泛，一般是变质生成的。

它的结构也很特殊，具有八面体共顶以桥氧连接式结构，相对来讲比较稳定，中间空隙很大，方便其他离子的填充，也正是由于它的这个性质和结构特点，才更加方便其化学性质的改变。

对于由此结构引申出的钙钛矿型结构而言，正是具备了共顶连接式结构才方便其他矿质或有机质离子的替换，才方便于物化性质的改变，钙钛矿型太阳能电池板就是根据这一特点制造出的。

对于以后的工作，我们可以加大对不同位置有机离子的替换，来发现具有更多更新奇物化性质的离子，应用到我们的生产生活当中去，这样我们也能更好的发觉这种结构的价值。

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