不發光也能發Nature 能上天能入地的鈣鈦礦

2020-12-03 北極星太陽能光伏網

北極星太陽能光伏網訊:細數近幾年新材料的研究進展，我們不難發現，鈣鈦礦吸引了大量科研工作者的注意。鈣鈦礦可以應用於太陽能電池領域，可以製成發光二極體等等，這些都是其比較常見的應用，也不足為奇。今天，我們要向大家介紹的是鈣鈦礦最新的幾項應用，包括其在預地震中的應用，作為半導體用於輻射探測器、太空太陽能電池以及自旋電子器件，甚至可以用於快速檢測食用油的過氧化物值等等。

（來源：微信公眾號「納米人」ID：nanoer2015）

1. Nature: CaSiO3鈣鈦礦的地震速度可以解釋地球下地幔中的LLSVPs

地震學記錄了整個下地幔中各種異質性的存在，但這些信號的起源 - 無論是熱還是化學 - 仍然不確定，因此它們對深地球性質的大部分信息都是模糊的。準確解釋觀測到的地震速度需要了解地球上所有可能的礦物成分的地震屬性。矽酸鈣（CaSiO3）鈣鈦礦被認為是整個下地幔中第三豐富的礦物質。

近日，倫敦大學學院A.R. Thomson研究團隊同時測量CaSiO3鈣鈦礦樣品的晶體結構和剪切波和壓縮波速度，並直接限制該材料的絕熱體積和剪切模量。研究人員觀察到鈦在CaSiO3鈣鈦礦中的摻入在較高溫度下穩定了四方結構，並且材料的剪切模量顯著低於計算或熱力學數據集所預測的。結合文獻資料並推斷，該研究結果表明俯衝洋殼將在整個下地幔中作為低地震速度異常可見。此外，研究還表明大的低剪切速度省（LLSVPs）與再生海洋地殼的中度富集是一致的，並且中地幔不連續性可以通過含鈦的CaSiO3鈣鈦礦中的四方 - 立方相變來解釋。

Thomson, A. R. et al.Seismicvelocities of CaSiO3perovskite can explain LLSVPs in Earth’s lower mantle.Nature 2019.

DOI: 10.1038/s41586-019-1483-x

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1483-x

2. 黃勁松AM：比玻璃還穩定的鈣鈦礦！

有機滷化物金屬鈣鈦礦已成為有前途的半導體用作太空太陽能電池和輻射探測器的材料。然而，在運行條件下缺乏對其穩定性的研究。黃勁松團隊首次研究在伽馬射線和可見光下鈣鈦礦太陽能電池的穩定性情況。鈣鈦礦活性層在連續伽馬射線和光照射下，在1535小時後仍保持96.8％的初始效。在相同的照射條件下，玻璃的透射率明顯下降。

研究表明，鈣鈦礦太陽能電池的優異穩定性得益於自愈性的行為：恢復早期由γ射線照射誘導損失的效率。研究結果揭示了伽馬射線照射不會引起鈣鈦礦的電子陷阱狀態。這些觀察證明了鈣鈦礦材料在輻射探測器和太空太陽能電池的應用前景。

Yang, S. et al. Organohalide LeadPerovskites: More Stable than Glass under Gamma-Ray Radiation.Adv.Mater.

DOI: 10.1002/adma.201805547.

https://doi.org/10.1002/adma.201805547

3. AM: 基於雜化有機-無機鈣鈦礦的自旋閥器件的可調諧自旋特性

混合有機-無機鈣鈦礦（HOIPs）形成一類新的半導體，顯示出有前途的光電器件應用。HOIP的光電特性可通過改變其構件的化學成分來調節。最近，HOIP自旋電子特性及其在自旋電子器件中的應用引起了極大興趣。猶他大學Zeev Valy Vardeny團隊研究了HOIPs中化學成分多樣性對其自旋電子特性的影響。製造基於具有不同有機陽離子和滷素原子的HOIP的自旋閥裝置。

通過測量具有不同鈣鈦礦夾層厚度的自旋閥裝置中的巨磁阻（GMR）響應，在各種HOIP中獲得自旋擴散長度。此外，旋轉壽命也是從Hanle響應中測量的。發現HOIP的自旋電子特性主要由滷素原子決定，而不是由有機陽離子決定。該研究為基於HOIP的工程自旋電子設備提供了明確的途徑。

Tunable Spin Characteristic Properties in Spin Valve Devices Based on Hybrid Organic–InorganicPerovskites，Advanced Materials, 2019

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201904059

4. Anal. Chem.: 鈣鈦礦納米晶快速檢測食用油的過氧化物數

食用油的過氧化物數量與其質量有關。過氧化物數的經典測定方法具有局限性，由於其複雜性和分析過程中的再現性差以及不能進行現場快速檢測。廈門大學陳曦團隊開發了一種新的基于波長移動的視覺方法，即利用滷化鈣鈦礦納米晶體（CsPbBr3NC）測定食用油的過氧化值。

研究表明，食用油樣品預先與部分碘化銨（OLAM-I）進行氧化還原反應。然後，在添加的CsPbBr3NC和來自殘留OLAM-I的碘離子之間發生滷素交換。所產生的螢光發射的波長偏移反映了食用油樣品中的過氧化物數。在365 nm光激發下，可以直接將光致發光的表觀顏色與比色圖進行比較，以確定和鑑定過氧化物數。利用該方法可以實現現場食用油樣品中過氧化物數量的目測檢測。檢測過程僅需約15分鐘，方便準確。

Wavelength-Shift-Based ColorimetricSensing for Peroxide Number of Edible Oil Using CsPbBr3PerovskiteNanocrystals, Anal. Chem, 2019

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.9b03267

5. AEM：用於光熱轉換的黑色素-鈣鈦礦複合材料

生物大分子色素，如黑色素，在所有生物的生存中起著至關重要的作用。黑色素吸收陽光並將其轉化為熱量，這對於避免對皮膚細胞的損害至關重要。光吸收產生激發的電子，通過釋放熱量（光熱效應）和，或光（光致發光）可以回落到基態，或者在其壽命周期內保持較高的能量水平，這可以通過外部電子電路捕獲（光伏效應）實現。賓夕法尼亞大學Kai Wang，Congcong Wu和Shashank Priya等人證明了黑色素與滷化鈣鈦礦光吸收材料的複合物在太陽光譜中顯示出從UV到NIR區域的高吸收。

由於黑色素的非輻射淬滅明顯增強，複合材料顯示出顯著降低的光致發光和最小化的殘餘激發態密度（通過光伏測量驗證）。結果表明，在AM1.5下，複合材料顯示出超高的太陽熱量子產率為99.56％，太陽熱轉換效率為≈81％，優於典型的碳材料，如石墨烯。通過在熱電裝置的熱側塗覆光熱複合膜，觀察到與照射下的空白組相比輸出功率增加7000％。

Wang, K., Hou, Y.,Poudel, B., Yang, D., Jiang, Y., Kang, M.‐G., Wang, K., Wu, C., Priya, S., Melanin–PerovskiteComposites for Photothermal Conversion. Adv. Energy Mater. 2019, 1901753.

DOI: 10.1002/aenm.201901753

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201901753

6. 朱瑞SCPMA: 上天啦！鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦太陽能電池（PSC）表現出優異的效率，高單位重量功率和出色的抗輻射性，並有望用於發展新一代太空能源技術。然而，極端的太空環境將對電池的穩定性提出相當大的挑戰，而對PSC在太空中的應用卻鮮有報導。近期，北京大學物理學院「極端光學創新研究團隊」朱瑞、龔旗煌院士與中科院光電研究院徐國寧研究員、西北工業大學黃維院士合作，率先開展了混合陽離子型鈣鈦礦太陽能電池在臨近空間（高度接近35 km）的穩定性研究。在空氣品質0（AM0）照明下，基於FA0.81MA0.1Cs0.04PbI2.55Br0.40的器件,保留了其初始效率的95.19％。另外，紫外線過濾器可以有效地保證設備的穩定性。該工作展示了PSC在未來空間應用中的前景。

Mixed-cationperovskite solar cells in space, In Journal of SCIENCE CHINA Physics, Mechanics& Astronomy, Volume 62, Issue 7, 2019, 974221

https://doi.org/10.1007/s11433-019-9356-1

為鈣鈦礦加油！

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