光譜成像賦能鈣鈦礦材料的微觀洞察與商業(yè)突破

在材料科學的璀璨星空中，鈣鈦礦材料宛如一顆冉冉升起的新星，尤其是在太陽能電池領(lǐng)域的巨大潛力，吸引了科研人員與商業(yè)化應用的目光。

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

然而，要讓這項技術(shù)大規(guī)模走向市場，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)：目前鈣鈦礦太陽能電池的壽命僅約2000小時，而傳統(tǒng)硅基電池可長達約52000小時。

近期，使用高光譜技術(shù)開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》（學術(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具備光譜分辨率和空間分辨率的優(yōu)勢，相當于將光譜儀與顯微鏡合二為一，為研究鈣鈦礦材料提供了“透視”視角。通過將光致發(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)，幫助識別光電器件中的細微缺陷和不均勻現(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、準確的反饋機制，不僅幫助材料研發(fā)人員迅速驗證改進思路，也為鈣鈦礦材料在光電領(lǐng)域的大規(guī)模應用與推廣提供了堅實支撐。

通過這樣的深度洞察，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。

中達瑞和助力獲取百萬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鉛鈣鈦礦圖像傳感器等前沿方向。在其中一項實驗中，研究人員通過使用中達瑞和的高光譜相機SHIS-N220在550– 900 nm波長范圍內(nèi)，僅用數(shù)分鐘就獲取了約一百萬條鈣鈦礦晶體的光譜數(shù)據(jù)。這相當于捕獲了一幅由上百萬個像素構(gòu)成的“光譜圖像”，且每個“像素”都包含從可見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)無需逐點掃描樣品，而是對整個視場同步進行逐波段成像，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)部的無序等微觀特征纖毫畢現(xiàn)，一覽無余。

鈣鈦礦薄膜通過溶液法制備在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。相鄰晶粒之間發(fā)射特性的顯著差異進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)通常對應缺陷密度較高的區(qū)域，尤其是晶界處普遍存在的空位、間隙、錯位及雜質(zhì)誘導的陷阱態(tài)等缺陷。這些缺陷不僅阻礙了光生載流子的有效遷移，還作為非輻射復合中心，使得光生電子空穴對在傳輸過程中通過熱散射等非輻射機制迅速耗散，導致局部光致發(fā)光強度大幅降低。

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合幾率，進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)變化被認為是導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。它是凝視型光譜相機SHIS中最關(guān)鍵的核心技術(shù)，通過電子單元控制液晶元件，傳輸特定波長的光并排除其它光，是基于液晶分子的雙折射效應和偏振光干涉原理設(shè)計的光學濾波器。液晶可調(diào)諧濾波器采用自主設(shè)計和加工的高精度液晶相位延遲片和級聯(lián)組合結(jié)構(gòu)，利用自動標定、校正系統(tǒng)進行高精度標定，通過USB接口連接到計算機上，在配套的軟件操作界面上輸入所需要的波長和其他參數(shù)，實現(xiàn)對入射光靈活的窄帶濾波功能。產(chǎn)品具有自適應溫度補償能力，利用標定數(shù)據(jù)庫還可以校正視場角度變化引起的光譜漂移，滿足較大視場成像需求。SHIS凝視型光譜相機是中達瑞和基于LCTF技術(shù)自主研發(fā)的光譜相機。作為國內(nèi)極少數(shù)掌握并成熟應用這項技術(shù)的光譜相機廠商。

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，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見，在鈣鈦礦光電器件的設(shè)計和制造過程中，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能電池、光催化、圖像傳感等領(lǐng)域的廣泛應用，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、機器學習的融合將為材料設(shè)計和性能預測帶來革命性突破。借助AI對海量光譜數(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)化進程，讓實驗室的創(chuàng)新更高效地轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。

中達瑞和成立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、工業(yè)檢測、生命科學等領(lǐng)域構(gòu)建高光譜創(chuàng)新生態(tài)。通過多維光譜數(shù)據(jù)的深度解碼能力，加速前沿材料從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化應用的進程，為鈣鈦礦材料的深入研究與應用插上騰飛的翅膀。同時也讓每一個微觀世界的發(fā)現(xiàn)，都成為推動人類清潔能源革命與智能感知技術(shù)進化的基石。