光谱成像赋能钙钛矿材料的微观洞察与商业突破

在材料科学的璀璨星空中，钙钛矿材料宛如一颗冉冉升起的新星，凭借其卓越的性能，尤其是在太阳能电池领域的巨大潜力，吸引了全球科研人员与商业化应用的目光。

随着有机金属钙钛矿太阳能电池的迅猛发展，对灵活、价格低廉且易于加工的光伏材料的探索迎来了新的曙光。其卓越的光电转换效率、可调节的带隙特性以及低成本的价格优势，使其成为生产低成本太阳能电池板的理想之选。

然而，要让这项技术大规模走向市场，与传统硅板一较高下，目前还面临着稳定性和寿命方面的挑战：目前钙钛矿太阳能电池的寿命仅约2000小时，而传统硅基电池可长达约52000小时。

近期，中国科学院大学联合我司，使用高光谱技术开启观察钙钛矿的微观世界，为材料研发注入破局之力。在《Nature Communications》以及《Advanced Materials》（顶级学术期刊）分别发布了《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》两篇基于高光谱成像技术得钙钛矿研究，赢得了学术界的广泛关注。

如何使用高光谱技术帮助了解钙钛矿的奥秘？

高光谱成像凭借同时具备光谱分辨率和空间分辨率的优势，相当于将光谱仪与显微镜合二为一，为研究钙钛矿材料提供了前所未有的“透视”视角。通过将光致发光（PL）、电致发光（EL）等技术与高光谱成像相结合，科研人员能够精确解析钙钛矿的微观结构版图，揭示材料内部的缺陷分布、成分不均以及光电性能差异。

尤其在微米级空间尺度下，高光谱成像可以采集极为详尽的光谱数据，帮助识别光电器件中的细微缺陷和不均匀现象，并揭示与材料老化降解相关的非辐射能量损耗。这意味着，以往潜藏在材料内部、影响器件性能的种种“隐形杀手”如今都能被捕捉并量化分析。这让器件的优劣一目了然。这种及时、准确的反馈机制，不仅帮助材料研发人员迅速验证改进思路，也为钙钛矿材料在光电领域的大规模应用与推广提供了坚实支撑。

通过这样的深度洞察，我们离全面掌控钙钛矿材料的行为也就更近一步，为攻克影响其性能的核心瓶颈提供了方向。

中达瑞和助力获取百万条钙钛矿晶体光谱数据

在文章中，相关研究聚焦于近红外神经形态成像阵列和高分辨率无铅钙钛矿图像传感器等前沿方向。在其中一项实验中，研究人员通过使用中达瑞和的高光谱相机SHIS-N220在550–900 nm波长范围内，仅用数分钟就获取了约一百万条钙钛矿晶体的光谱数据。这相当于捕获了一幅由上百万个像素构成的“光谱图像”，且每个“像素”都包含从可见光到近红外的完整光谱信息。如此惊人的数据采集能力源于全局高光谱成像等创新手段——该技术无需逐点扫描样品，而是对整个视场同步进行逐波段成像，使得海量光谱数据的获取速度大幅提升，使晶粒边界、表面缺陷、相分离以及材料内部的无序等微观特征纤毫毕现，一览无余。

钙钛矿薄膜通过溶液法制备在PEDOT:PSS/ITO/玻璃基底上，如上图所示，分别为钙钛矿晶体在450nm、740nm、540nm、510nm的高分辨率光谱图象。研究人员利用高光谱成像技术，成功分辨出单个晶粒的微观结构，并清晰捕捉到晶界与晶粒内部在纳米尺度上的光谱及发光强度不均匀性。

箭头指示的局部晶粒区域表现出与周围晶界明显不同的光谱特征，这表明这些区域存在缺陷富集效应。相邻晶粒之间发射特性的显著差异进一步揭示出薄膜整体的区域均匀性较差，这种微观非均质分布正是高光谱成像所揭示的核心特征。更为关键的是，图像中的暗区通常对应缺陷密度较高的区域，尤其是晶界处普遍存在的空位、间隙、错位及杂质诱导的陷阱态等缺陷。这些缺陷不仅阻碍了光生载流子的有效迁移，还作为非辐射复合中心，使得光生电子空穴对在传输过程中通过热散射等非辐射机制迅速耗散，导致局部光致发光强度大幅降低。

此外，高光谱成像还揭示出晶粒间潜在的能带错配现象，载流子在不同晶粒界面处的积累和重组增加了非辐射复合几率，进一步削弱了器件的光电性能。这些缺陷相关的微观结构变化被认为是导致器件整体性能退化、稳定性不足和寿命缩短的关键因素。

而能做到这些，LCTF（液晶可调谐滤波器）功不可没。它是凝视型光谱相机SHIS中最关键的核心技术，通过电子单元控制液晶元件，传输特定波长的光并排除其它光，是基于液晶分子的双折射效应和偏振光干涉原理设计的光学滤波器。液晶可调谐滤波器采用自主设计和加工的高精度液晶相位延迟片和级联组合结构，利用自动标定、校正系统进行高精度标定，通过USB接口连接到计算机上，在配套的软件操作界面上输入所需要的波长和其他参数，实现对入射光灵活的窄带滤波功能。产品具有自适应温度补偿能力，利用标定数据库还可以校正视场角度变化引起的光谱漂移，满足较大视场成像需求。SHIS凝视型光谱相机是中达瑞和基于LCTF技术自主研发的光谱相机，达到国内首创，国际一流的水平。作为国内极少数掌握并成熟应用这项技术的光谱相机厂商，在LCTF的相关应用与发展中处于绝对领先地位。

光谱成像技术将持续助力钙钛矿等光电材料的研究

展望未来，随着高光谱成像技术的持续发展，我们有望以更加精确和全面的方式揭秘钙钛矿材料的微观世界，并据此不断优化其宏观性能。可以预见，在钙钛矿光电器件的设计和制造过程中，高光谱将扮演日益重要的角色。这种高精度的“透视”工具将加速钙钛矿材料在太阳能电池、光催化、图像传感等领域的广泛应用，尤其是在柔性电子、智能传感、可穿戴设备等前沿方向充分释放其潜力。

值得一提的是，高光谱成像与AI、机器学习的融合将为材料设计和性能预测带来革命性突破。借助AI对海量光谱数据的分析，科研人员能够更快速地从中筛选出性能卓越的钙钛矿材料配方，找出影响器件表现的关键因素，显著缩短研发迭代周期。这种智能化的研究范式将加速钙钛矿新材料、新器件的落地和商业化进程，让实验室的创新更高效地转化为生产力。

中达瑞和成立20年始终深耕高光谱成像技术的创新研发，我们将继续在材料科学、工业检测、生命科学等领域构建高光谱创新生态。通过多维光谱数据的深度解码能力，加速前沿材料从实验室走向产业化应用的进程，为钙钛矿材料的深入研究与应用插上腾飞的翅膀。同时也让每一个微观世界的发现，都成为推动人类清洁能源革命与智能感知技术进化的基石。

审核编辑 黄宇