陈根：利用紫外线，发现钙钛矿晶体新机制

文|陈根

近年来，钙钛矿材料作为一种新型的有机无机杂化半导体材料，在光伏和发光领域发展迅速。但由于其电子间的强关联效应，钙钛矿氧化物中普遍存在着电荷序、轨道序、自旋序的相互竞争和相互影响，导致了其复杂的物理相图和独特的热力学和输运性质。

而电池和燃料电池电解质的性能取决于电解质中电子和离子的运动。调节电解质中氧化物离子的运动可以增强电池和燃料电池的功能，例如可以通过提高其能量存储和输出的效率实现。

利用光来调节离子的运动扩展了可能的能量输入源，且迄今为止只在质子等小离子中得到过证实。但近日，筑波大学的研究人员揭示了紫外线在室温下调节钙钛矿晶体中的氧化物离子传输机制。

一直以来，在固态材料中传输重原子和离子一直是一项挑战，但该设计以一种简单的方式来实现了这一目标，并将其与可持续能源投入无缝结合。

为了做到这一点，研究人员把目光寄于钴双钙钛矿晶体，其类似于燃料电池研究中的常见材料。结果发现，在室温下使用紫外线照射这一晶体，可以在不破坏晶体的情况下取代氧化物离子，这意味着晶体的功能得以保留。

电子衍射结果、光谱学结果和相应的计算也证实了这种解释——在传递能量为每平方厘米2毫焦耳时，约6%的氧化物离子会在几皮秒内在晶体中发生严重混乱，而不会破坏晶体。

通常来说，钴氧键会极大地限制氧化物的运动，但紫外光诱导的电子转移可以破坏这些键。这有助于氧化物离子的运动以一种方式进入几个有关存储光能输入的状态。

钙钛矿电池与传统“硅型”电池比，设备批发价仅为传统电池一半，重量仅为硅型的十分之一，便于安装在建筑物和纯电动汽车（EV）上，兼具成本与推广优势。随着新型电池技术的推动，钙钛矿电池产业化进程有望提速。

未来，该发现还有助于更深入地了解，如何利用光来操纵跟能量储存有关的晶体结构，且以一种不破坏晶体的方式为商业规模的可再生能源系统带来新的可能。