虽然硅仍然是半导体技术中的王者(而且有充分的理由)，但需要替代化合物来解决供应链问题，降低成本，或克服硅在某些应用中的缺陷。钙钛矿就是这样一种获得关注的材料，尤其是在去年。
虽然佩洛夫斯基斯于1839年首次获得臭名昭着，但近年来，研究人员对各种应用进行了独特的晶体结构。只是如何在硅世界中雕刻自己的利基？为了回答这个问题，我们将评估佩洛斯克斯在当今制造商之间的内在效益和日益普及，因为新的研究在2020年推出。
首先，我们如何定义钙钛矿?
期限钙钛矿可能指的是两个不同的东西:一种独特的氧化物矿物，来源于钛酸钙(CaTiO3)或一类化合物，共享钛酸钙的晶体结构。因此，我们通常以复数形式来表示这些相关的化合物:钙钛矿。
钙钛矿晶体的基本结构。图片由维基共享
虽然佩罗夫斯基特本身是自然的，但是“佩洛夫斯”相反的人为。由于Perovskite在多个（虽然有限）的全局位置进行了开采，所以可以创建基于PerovSkite的电气组件。
然而，研究人员已经开发出许多具有相同结晶结构的合成的化合物。这些不同的化合物（例如GdFeO 3或NamgF3）具有自己的有益特性。制造商必须在将电导率结合到混合中，创建佩罗夫斯基特承载自然结构。
Perovskites的不同性质
钙钛矿化合物的灵活性对它们非常有利。他们的一些关键电气，物理和光学特性包括：
- 高吸收系数材料越少，吸收的光就越多
- 长距离，双极性电荷传输：FET和CMOS技术内的动态传导
- 低激子结合能量：制造电子导电所需的能量
- 高介电常数：允许整个表面的持续电荷
- 铁电特性：可以通过外部电场翻转电极化
钙钛矿的太阳能电池。图片由Dennis Schroeder/国家可再生能源实验室提供康奈尔大学
钙钛矿也可以分层或施加为某些用途的薄膜。它们也热力学稳定。这种缺乏电气自发性在半导体内是有用的，其中可预测性有利，因为电流穿过晶片。最后，与它们的铁电性质配对的钙质（棱柱形）结构在某些条件下打开了用于超导性的门。
天然钙钛矿具有人造材料的许多优点。这种矿物容易吸收光。正电荷和负电荷可以很容易地穿过。因此，天然钙钛矿就像实验室生产的钙钛矿一样，也被认为是一种半导体。
为什么Perovskites将领先太阳能
也许佩罗夫斯基特最普遍的用例是太阳能的情况。由于太阳能电池板（由光伏电池组成）的基本前提是将阳光转化为可用的电能，因此这些细胞必须自然是吸收性的。硅基细胞合理地做得很好，但是钙钛矿替代品在关键方面比它们更出色。
钙钛矿太阳能电池示意图。图片使用的礼貌清洁能源研究所
效率
第一是效率。虽然硅电池在阳光下的18％到21％的任何地方转换为电力，但是结合硅和钙钛矿的太阳能电池可以达到27％的效率，根据Cu Boulder研究人员最近的一项研究。
在这种情况下使用的钙钛矿被认为是杂种有机 - 无机钙钛矿（Hoip）。它甚至相信All-Perovskite细胞可以达到30％的效率 - 彻底优于“前一个”太阳能电池。
硅钙钛矿太阳能电池。图片由丹尼斯·施罗德/ NREL
钙钛矿还提供以下好处:
- 面板更容易产生较少的浪费和低效率。
- 制造商可以利用现代添加技术，如3D打印，以制作手工艺。
- 钙钛矿板可以调整到最佳的吸收(或反应)阳光。
据信，佩洛斯基特的电子兴奋是有助于产生更多电流。此外，这些新的薄膜面板每个表面区域吸收更多的阳光，而不是它们的前辈。研究人员说，钙钛矿细胞轻量级，可弯曲，并在更冷却的温度下产生。
长寿
长寿一直是个问号——至少在早期是这样。虽然较老的钙钛矿面板未能挑战硅的20至30年寿命，比如美国能源部的国家可再生能源实验室现在，他们正在寻找避免高温和湿气损害的方法。特殊的涂层和封装可能有助于延长寿命。
关于缺陷的注意事项
还需要做更多的工作来减少缺陷。尽管钙钛矿不容易产生缺陷，主动传导层是弱点北卡罗来纳州立大学的研究人员表示。在这一领域，硅半导体拥有相当大的优势。然而，钙钛矿的成本效益和性能使其成为农业使用的考虑因素。
除了太阳能电池板:光电子学和存储器
除了太阳能电池外，低维钙耐力也可用于光电器件，如LED，光纤和光致抗蚀剂。Perovskite光电器件是高度可调和柔性的。它们的量子电气效应也使它们适用于这些应用。
卤化物钙钛矿-主要由铯铅或甲基铵铅-组成在电阻随机存取存储器(ReRAM)单元中显示希望。这些材料的切换行为和电气性质可能使它们合适。卤化物化合物显示出高/关闭电流保持。与3D变体相比，2D化合物的ON /截止比率也更高。
浦项科技大学(Pohang University of Science and Technology)的一个团队最近使用卤化物钙钛矿材料制作了“下一代”存储设备。图片由Postech.
一些唠叨的问题提出了障碍。环境因素可以更容易地影响卤化物钙钛矿性能。空气暴露，湿度和氛围都进入长寿。值得庆幸的是，2D Reram结构提高了这些弱点。具有铂涂层切换层的堆叠的RERAM器件令人钦佩。双极电阻开关行为和超低工作电压是可以实现的- 在一个中共享自然学习。
平滑缩放佩洛夫斯基斯生产
关于供应商如何促进钙钛矿的规模化生产，已经有很多讨论。在2020年初，加州大学伯克利分校的杨培东团队将这一生产过程向前推进了一步首次亮相单层结晶。每一个连续的层都被并入一个带电的电路，通过分子结合来统一。
最近，斯坦福大学开发的团队一种称为“快速喷雾等离子体处理”的钙钛矿制造方法，其中，两个机器人喷嘴在玻璃窗格上产生钙钛矿的薄膜，将钙钛矿化学前体液体喷涂到玻璃窗格上，而另一个喷砂等离子体。
使用斯坦福大学研究人员专利的快速喷射等离子体处理技术生产的太阳能电池板。图片由Nick Rolston和斯坦福大学
其结果是每分钟生产40英尺的钙钛矿薄膜。这比制造一个硅电池所需的时间快了四倍。
虽然没有一些扭结的扭结来解决，但成熟过程应该带来新的增强功能，特别是随着Perovskites继续成为研究的温床。
