钙钛矿材料：从发现到现代应用的发展历程
钙钛矿的起源与定义
钙钛矿（Perovskite）作为目前一种大家所熟知的材料，已有180多年历史，最初它是指一种由无机物钛酸钙（CaTiO₃）组成的矿物。1839年，柏林大学矿物学家古斯塔夫斯·罗斯发现了这种天然矿物，并以俄罗斯贵族、矿物学家列夫·佩洛夫斯基的名字命名。
钙钛矿的现代定义与结构
如今，钙钛矿已不再指代单一的矿物，而是指具有ABX₃结构的化合物家族，A位通常代表有机阳离子，B位为金属铅离子Pb2+，而X位为卤素阴离子。这种结构的灵活性，为钙钛矿材料带来了丰富的光学和电学特性，使其在超声波机、存储芯片以及太阳能电池等多个领域展现出广泛的应用潜力。
最近10多年来，研究人员关注的焦点主要集中在卤化铅钙钛矿，世界各地的实验室都试图寻找在电池效率、成本和耐用性方面表现最佳的钙钛矿材料。
钙钛矿太阳能电池的突破
2009年，日本科学家宫坂力及其同事首次选用有机-无机杂化的钙钛矿材料碘化铅甲胺（CH3NH3PbI3）和溴化铅甲胺（CH3NH3PbBr3）作为新型光敏化剂，取代染料敏化太阳能电池中的染料，制备出全球第一个具有光电转换效率的钙钛矿太阳能电池器件。虽然其转换效率仅有3.8%，有效面积0.24cm2，并只稳定了几分钟，但为钙钛矿太阳能电池的后续发展奠基了不可磨灭的研发基础。
2012年，韩国朴南圭团队首次报告了效率接近10%的全固态有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池。同年，英国的亨利·斯奈斯团队首次将Cl元素引入钙钛矿中，并使用无机化合物氧化铝（Al₂O₃）替代无机化合物二氧化钛（TiO₂），证明钙钛矿不仅可作为光吸收层，还可作为电子传输层，得到电池效率10.9%。2013年，斯奈斯等人采用共蒸发方法制备钙钛矿薄膜，形成了一种全新的平面异质结电池，效率达到15.4%，引起世界瞩目。
钙钛矿的光电特性研究
有机-无机卤化铅钙钛矿也因此成为新兴的光伏材料。“2014年以前，大家研究的是有机-无机杂化的钙钛矿，里面既有机小分子，也有无机重金属，还有卤素。研究人员测试后发现这种材料在制备工艺上与有机光电半导体相似，但它的光电特性又像无机材料。”上海光机所薄膜光学实验室主任、研究员邵宇川介绍道，“当时，新一代光伏太阳能电池课题组的研究方向主要包括染料敏化太阳能电池、量子点太阳能电池、有机太阳能电池。这三种电池结构各不相同，神奇的是，把钙钛矿‘塞到’这三种电池中，不需要改变器件结构，电池都可以高效工作，钙钛矿研究领域一下子就火了。”
钙钛矿的火热也让研究人员开始关注其本身的机理和光电特性，到2016年，通过生长世界上第一个大尺寸钙钛矿单晶，科学家已能清楚表征钙钛矿材料本征的光电特性，人们可以根据不同的应用需求改变钙钛矿器件结构，提升效率和稳定性。
钙钛矿材料的多领域应用
1.光发射和LED
钙钛矿材料因其高的材料质量和荧光量子产率，特别适用于光发射和LED领域。
2.光致发光与电致发光特性
3.光解水、光检测、辐射探测
4.单晶器件和发光器件(发光二极管、激光、发光场效应晶体管)
5.材料特性的优势
钙钛矿材料在390-790 nm光谱范围内均可吸收，具备超大的光吸收系数，超低的体积缺陷密度，缓慢的俄歇复合以及平衡的双极性传输等特性，这些特性使得钙钛矿材料在高发光效率方面有显著优势。
6.可溶液加工和柔性器件制备
使得工艺简单、价格低廉的大面积器件制备成为可能，进一步扩展了其在显示、照明和光通信方面的应用前景。
相关设备
针对于钙钛矿特性的研究，谱镭光电有以下设备适合于相关应用：
高灵敏的微型光纤光谱仪QEpro：它是具有低杂散光性能的高灵敏度光谱仪，是各种弱光应用的理想选择，例如荧光、DNA测序和拉曼测量。
EQY量子效率测试系统：针对于钙钛矿发光材料或器件，其发光量子效率是非常重要的，我们基于光纤光谱仪的钙钛矿发光材料特性测试方案是一套综合了PL，EL测试功能为一体的OLED，量子点，钙钛矿等材料特性测试方案。
其测试优势在于：
- 体积小巧 — 便于灵活使用及运输
- 原位测量 — 可放置在手套箱内，实现原位测量
- 操作简单 — 设备无需频繁校准
- 结果准确 — 使用NIST溯源的辐射校准
- 测试高效 — 自动测量和远程控制，一次多样品测试
- 结果清晰 — 专用软件内嵌计算算法，直接得到测试结果
- 测试范围 — 兼容较宽亮度范围器件，从0.01 nit 到4*10⁶ nit
显微光谱系统：针对于较小样品的钙钛矿材料或器件，使用显微光谱可更精确地观测样品在微观情况下的各种性质。显微光谱测量系统集成荧光、拉曼和反射光谱测量功能。通过把光谱模块集成到显微镜上，实现显微荧光、拉曼和其他光谱信息的测量。系统由光谱仪、激光器、光源、显微镜等部分构成，自由灵活，帮助用户快速对样品微观结构，微观光谱信息的测试和分析；此外系统可以加装二维电控扫描台，通过软件控制，实现光谱二维扫面测量功能。
