在材料科學(xué)的璀璨星空中，鈣鈦礦材料宛如一顆冉冉升起的新星，憑借其卓越的性能，尤其是在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的巨大潛力，吸引了全球科研人員與商業(yè)化應(yīng)用的目光。

隨著有機(jī)金屬鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的迅猛發(fā)展，對(duì)靈活、價(jià)格低廉且易于加工的光伏材料的探索迎來(lái)了新的曙光。其卓越的光電轉(zhuǎn)換效率、可調(diào)節(jié)的帶隙特性以及低成本的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，使其成為生產(chǎn)低成本太陽(yáng)能電池板的理想之選。

然而，要讓這項(xiàng)技術(shù)大規(guī)模走向市場(chǎng)，與傳統(tǒng)硅板一較高下，目前還面臨著穩(wěn)定性和壽命方面的挑戰(zhàn)：目前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的壽命僅約2000小時(shí)，而傳統(tǒng)硅基電池可長(zhǎng)達(dá)約52000小時(shí)。

近期，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)聯(lián)合我司，使用高光譜技術(shù)開(kāi)啟觀察鈣鈦礦的微觀世界，為材料研發(fā)注入破局之力。在《Nature Communications》以及《Advanced Materials》（頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊）分別發(fā)布了《Suppression of Tin Oxidation via Sn→B Bonding Interactions for High-Resolution Lead-Free Perovskite Neuromorphic Imaging Sensors》 以及《Chelated tin halide perovskite for near-infrared neuromorphic imaging array enabling object recognition and motion perception》兩篇基于高光譜成像技術(shù)得鈣鈦礦研究，贏得了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

如何使用高光譜技術(shù)幫助了解鈣鈦礦的奧秘？

高光譜成像憑借同時(shí)具備光譜分辨率和空間分辨率的優(yōu)勢(shì)，相當(dāng)于將光譜儀與顯微鏡合二為一，為研究鈣鈦礦材料提供了前所未有的“透視”視角。通過(guò)將光致發(fā)光（PL）、電致發(fā)光（EL）等技術(shù)與高光譜成像相結(jié)合，科研人員能夠精確解析鈣鈦礦的微觀結(jié)構(gòu)版圖，揭示材料內(nèi)部的缺陷分布、成分不均以及光電性能差異。

尤其在微米級(jí)空間尺度下，高光譜成像可以采集極為詳盡的光譜數(shù)據(jù)，幫助識(shí)別光電器件中的細(xì)微缺陷和不均勻現(xiàn)象，并揭示與材料老化降解相關(guān)的非輻射能量損耗。這意味著，以往潛藏在材料內(nèi)部、影響器件性能的種種“隱形殺手”如今都能被捕捉并量化分析。這讓器件的優(yōu)劣一目了然。這種及時(shí)、準(zhǔn)確的反饋機(jī)制，不僅幫助材料研發(fā)人員迅速驗(yàn)證改進(jìn)思路，也為鈣鈦礦材料在光電領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用與推廣提供了堅(jiān)實(shí)支撐。

通過(guò)這樣的深度洞察，我們離全面掌控鈣鈦礦材料的行為也就更近一步，為攻克影響其性能的核心瓶頸提供了方向。

中達(dá)瑞和助力獲取百萬(wàn)條鈣鈦礦晶體光譜數(shù)據(jù)

在文章中，相關(guān)研究聚焦于近紅外神經(jīng)形態(tài)成像陣列和高分辨率無(wú)鉛鈣鈦礦圖像傳感器等前沿方向。在其中一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員通過(guò)使用中達(dá)瑞和的高光譜相機(jī)SHIS-N220在550–900 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，僅用數(shù)分鐘就獲取了約一百萬(wàn)條鈣鈦礦晶體的光譜數(shù)據(jù)。這相當(dāng)于捕獲了一幅由上百萬(wàn)個(gè)像素構(gòu)成的“光譜圖像”，且每個(gè)“像素”都包含從可見(jiàn)光到近紅外的完整光譜信息。如此驚人的數(shù)據(jù)采集能力源于全局高光譜成像等創(chuàng)新手段——該技術(shù)無(wú)需逐點(diǎn)掃描樣品，而是對(duì)整個(gè)視場(chǎng)同步進(jìn)行逐波段成像，使得海量光譜數(shù)據(jù)的獲取速度大幅提升，使晶粒邊界、表面缺陷、相分離以及材料內(nèi)部的無(wú)序等微觀特征纖毫畢現(xiàn)，一覽無(wú)余。

鈣鈦礦薄膜通過(guò)溶液法制備在PEDOT:PSS/ITO/玻璃基底上，如上圖所示，分別為鈣鈦礦晶體在450nm、740nm、540nm、510nm的高分辨率光譜圖象。研究人員利用高光譜成像技術(shù)，成功分辨出單個(gè)晶粒的微觀結(jié)構(gòu)，并清晰捕捉到晶界與晶粒內(nèi)部在納米尺度上的光譜及發(fā)光強(qiáng)度不均勻性。

箭頭指示的局部晶粒區(qū)域表現(xiàn)出與周圍晶界明顯不同的光譜特征，這表明這些區(qū)域存在缺陷富集效應(yīng)。相鄰晶粒之間發(fā)射特性的顯著差異進(jìn)一步揭示出薄膜整體的區(qū)域均勻性較差，這種微觀非均質(zhì)分布正是高光譜成像所揭示的核心特征。更為關(guān)鍵的是，圖像中的暗區(qū)通常對(duì)應(yīng)缺陷密度較高的區(qū)域，尤其是晶界處普遍存在的空位、間隙、錯(cuò)位及雜質(zhì)誘導(dǎo)的陷阱態(tài)等缺陷。這些缺陷不僅阻礙了光生載流子的有效遷移，還作為非輻射復(fù)合中心，使得光生電子空穴對(duì)在傳輸過(guò)程中通過(guò)熱散射等非輻射機(jī)制迅速耗散，導(dǎo)致局部光致發(fā)光強(qiáng)度大幅降低。

此外，高光譜成像還揭示出晶粒間潛在的能帶錯(cuò)配現(xiàn)象，載流子在不同晶粒界面處的積累和重組增加了非輻射復(fù)合幾率，進(jìn)一步削弱了器件的光電性能。這些缺陷相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)變化被認(rèn)為是導(dǎo)致器件整體性能退化、穩(wěn)定性不足和壽命縮短的關(guān)鍵因素。

而能做到這些，LCTF（液晶可調(diào)諧濾波器）功不可沒(méi)。它是凝視型光譜相機(jī)SHIS中最關(guān)鍵的核心技術(shù)，通過(guò)電子單元控制液晶元件，傳輸特定波長(zhǎng)的光并排除其它光，是基于液晶分子的雙折射效應(yīng)和偏振光干涉原理設(shè)計(jì)的光學(xué)濾波器。液晶可調(diào)諧濾波器采用自主設(shè)計(jì)和加工的高精度液晶相位延遲片和級(jí)聯(lián)組合結(jié)構(gòu)，利用自動(dòng)標(biāo)定、校正系統(tǒng)進(jìn)行高精度標(biāo)定，通過(guò)USB接口連接到計(jì)算機(jī)上，在配套的軟件操作界面上輸入所需要的波長(zhǎng)和其他參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光靈活的窄帶濾波功能。產(chǎn)品具有自適應(yīng)溫度補(bǔ)償能力，利用標(biāo)定數(shù)據(jù)庫(kù)還可以校正視場(chǎng)角度變化引起的光譜漂移，滿足較大視場(chǎng)成像需求。SHIS凝視型光譜相機(jī)是中達(dá)瑞和基于LCTF技術(shù)自主研發(fā)的光譜相機(jī)，達(dá)到國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，國(guó)際一流的水平。作為國(guó)內(nèi)極少數(shù)掌握并成熟應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的光譜相機(jī)廠商，在LCTF的相關(guān)應(yīng)用與發(fā)展中處于絕對(duì)領(lǐng)先地位。

光譜成像技術(shù)將持續(xù)助力鈣鈦礦等光電材料的研究

展望未來(lái)，隨著高光譜成像技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，我們有望以更加精確和全面的方式揭秘鈣鈦礦材料的微觀世界，并據(jù)此不斷優(yōu)化其宏觀性能?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在鈣鈦礦光電器件的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，高光譜將扮演日益重要的角色。這種高精度的“透視”工具將加速鈣鈦礦材料在太陽(yáng)能電池、光催化、圖像傳感等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，尤其是在柔性電子、智能傳感、可穿戴設(shè)備等前沿方向充分釋放其潛力。

值得一提的是，高光譜成像與AI、機(jī)器學(xué)習(xí)的融合將為材料設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)帶來(lái)革命性突破。借助AI對(duì)海量光譜數(shù)據(jù)的分析，科研人員能夠更快速地從中篩選出性能卓越的鈣鈦礦材料配方，找出影響器件表現(xiàn)的關(guān)鍵因素，顯著縮短研發(fā)迭代周期。這種智能化的研究范式將加速鈣鈦礦新材料、新器件的落地和商業(yè)化進(jìn)程，讓實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新更高效地轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。

中達(dá)瑞和成立20年始終深耕高光譜成像技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)，我們將繼續(xù)在材料科學(xué)、工業(yè)檢測(cè)、生命科學(xué)等領(lǐng)域構(gòu)建高光譜創(chuàng)新生態(tài)。通過(guò)多維光譜數(shù)據(jù)的深度解碼能力，加速前沿材料從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程，為鈣鈦礦材料的深入研究與應(yīng)用插上騰飛的翅膀。同時(shí)也讓每一個(gè)微觀世界的發(fā)現(xiàn)，都成為推動(dòng)人類清潔能源革命與智能感知技術(shù)進(jìn)化的基石。

審核編輯 黃宇