这一系列图片展示了一个海胆骨架逐渐转变为发光钙钛矿。这个转换的快照在0s，5s，15s和40s进行。来源：Noorduin Lab，AMOLF。

AMOLF的研究人员发现了一种方法，可以制造出适用于电子领域的碳酸钙结构。他们通过改变材料的成分使其成为半导体而不失去其形状来达到这个目的。这将导致更高效、更稳定的太阳能电池。这项研究发表在2018年6月4日的《自然化学》杂志上。

AMOLF的自我组织项目组长Wim Noorduin说，原则上，可以在海滩上用墨鱼或海胆的白色椭圆形外壳进行实验。这个实验只涉及在碳酸钙结构上滴两种液体。转换在几分钟内完成。如果你用紫外光照射这个结构，你可以看到在你眼前发生的转变:海胆骨骼，最初在灯下看起来是蓝色的，每一滴都变成了明亮的绿色结构。

Noorduin将碳酸钙结构，如海胆骨架，转化为钙钛矿，这是一种非常有前途的太阳能电池新材料。“实际上，这是炼金术，”Noorduin说。“迈达斯把一切都变成了金子，我们现在正在把碳酸钙变成钙钙钛矿。”

碳酸钙在地球上是非常丰富的，例如在白垩矿和动物的骨骼中。Noorduin之前已经发现了一种方法，可以从钙中制造出一系列的微观结构，以了解自然界是如何运作的。但这种材料几乎没有什么用途。但是钙钛矿提供了更多的可能性，它是一种很有前途的新型太阳能电池材料。半导体钙钛矿生产的太阳能电池比传统的硅太阳能电池效率更高、成本更低。它们也是越来越多的研究课题。Noorduin说:“通过将预先确定的碳酸钙结构转化为功能钙钛矿，我们现在可以同时控制材料的形状和功能。”

三维半导体微结构:通过在转换反应过程中选择特定的离子组成，我们可以将整个可见光谱的颜色从蓝色调到绿色，再调到红色。蓝色的珊瑚是氯化铅甲基铵，绿色的螺旋是溴化铅甲基铵，红色的花瓶是碘化铅甲基铵。这些图像是用一种可以收集光线的改良电子显微镜拍摄的，这种技术被称为阴极发光(CL)。来源:AMOLF Noorduin实验室

Noorduin预计这种新材料将改进太阳能电池。由于研究人员现在已经控制了太阳能电池的形状，他们可以产生一种更有效地捕捉阳光的结构。此外，由钙钛矿产生的当前太阳能电池的寿命太短，因为钙钛矿的降解速度太快。“我们认为我们的钙钛矿显微结构要稳定得多。因此，由这种材料制成的太阳能电池应该可以使用更长时间。“此外，我们还可以生产各种颜色的钙钛矿结构。这意味着这种材料也可以用于各种各样的应用中，比如屏幕。

Noorduin博士的研究人员Lukas Helmbrecht和Hans Hendrikse开发了这个新工艺，可以将所有的碳酸钙结构，如海胆骨架或Noorduin的微观结构，转化为钙钛矿。这一过程涉及一种晶体结构到另一种晶体结构的受控转换，这在化学中是一个困难的过程。晶体结构类似于堆叠的大理石。碳酸钙中的离子与钙钛矿中的离子不同，堆积作用也不同。研究人员将碳酸钙中的所有离子——首先是带正电的钙离子，然后是带负电的碳酸钙离子，比如氯离子。最后，他们加入另一个离子，甲基铵。这最后一种成分产生了一种新的堆叠样式，因此产生了钙钛矿。

Noorduin说，这个实验很简单，只要你知道怎么做。Noorduin说，将碳酸钙转化为钙钛矿的困难在于，一切都是不同的：不仅是带正电荷的阳离子和带负电荷的阴离子的组成，而且还有晶体结构。“反应的条件，如浓度和pH值，必须完全正确，否则结构立即瓦解。我们花了六个月才发现那些确切的情况。

例如，第一步中的阳离子交换必须是完美的。第二步更困难，因为晶体结构必须改变。我们还发现，重要的是确保这最后一步发生得非常快，以防止结构崩溃。

其他材料

离子交换法可广泛应用于各种材料上。不仅碳酸钙，而且碳酸钡和碳酸锶都是合适的，也可能是硫酸盐。AMOLF的研究人员预计，该反应还可以扩展到其他类型的钙钛矿，使广泛的应用成为可能。他说：“我们可以将这些原则应用于其他物料，例如催化剂。在这种情况下，你也希望能够控制材料的表面形状和成分。”