仰望星空070 Physics World 能源材料研究最新进展

潘力刚地产.激光.IT.AI医学

读懂中国，认识中国，讲好中国故事，提高文化自信： 这就是中国
以小屁孩过家家的心态,- 各路神仙之间的阳谋阴谋: 岩论
勘、侃、龛、看人生： 圆桌派

千里姻缘一线牵，公益相亲平台： 《圆梦缘》

科学、医学、人文、历史、文学、音乐、影视、摄影、数、理、化、计算机、人工智能、......： 《仰望星空 文库》

你在加拿大魁北克的家园： 《蓬莱仙阁楼台 加拿大魁北克傍山依水家园 文库》

赏心乐事谁家院： 《好山好水好风光 文库》

别时容易见时难： 《千里江山 文库》

千流归大海，高山入云端（数据总库）： 《仰望星空脚踏实地 BECC CECC》

电池研究小组成员徐耀斌将样品插入透射电子显微镜以检查可充电电池的功能。 （由安德里亚·斯塔尔提供 | 太平洋西北国家实验室）

2023年11月13日 绝缘层泄漏会缩短电池寿命（2023-12-11）

对老化的可充电锂离子电池中形成的薄薄的、据称是绝缘的沉积物的首次直接测量得出了令人惊讶的结果：这些沉积物毕竟不是完美的绝缘体。 美国能源部太平洋西北国家实验室 (PNNL) 的研究人员表示，众所周知，固体电解质中间相 (SEI) 层反而容易“泄漏”电子，这一发现可能有助于科学家开发更持久的电池。 电池。
SEI 层在可充电电池第一次经历充电周期时开始形成。 随着时间的推移，该层逐渐变厚，其状况被认为与电池性能的稳定性有关。 此前，科学家假设 SEI 是电绝缘的，但其确切的物理特性（包括其电行为）尚不清楚，因为没有直接的方法来表征它们。
由电池技术专家 Chongmin Wang 和 Wu Xu 领导的研究人员现在通过将纳米级铜探针直接嵌入电池中，在铜或锂上生长 SEI 膜来解决这一知识差距。 然后他们将薄膜转移到原位偏置透射电子显微镜并测量其电性能。

泄漏电子会缩短电池寿命
结果表明，随着电池电压的升高，SEI 层会“泄漏”电子，从而缩短电池寿命。 研究人员表示，这种迄今为止未观察到的类似半导体的行为主要是由于 SEI 层的含碳成分造成的。 这一发现表明，尽量减少这些组件意味着电池的使用寿命会更长。
为了支持这些发现，PNNL 团队在德克萨斯农工大学 (TAMU) 的合作者创建了锂金属电极表面电解质的理论模型。 在 Jorge Seminario 和 Perla Balbuena 的带领下，TAMU 团队成员随后使用计算模拟来评估电解质如何化学演化，重点关注电解质和电极之间的化学和物理相互作用如何导致 SEI 形成。
Seminario 解释说：“我们使用广泛的量子物理技术测试了电解质配方，评估了它们的化学成分和 SEI 生长的形态，并计算了它们的电流-电压特性。” “令人印象深刻的结果，理论和实验结果都遵循相同的趋势，提供了一种确定用于锂金属电池的最佳电解质的方法。”

富有成果的思想交流
Balbuena 补充说，他们的结果使他们能够根据第一原理向实验同事建议可能的候选电解质。 相反，在实验团队在实验室进行测试之前，他们还可以使用模型研究可能的替代材料。 由于巴尔布埃纳所说的“实验化学与材料研究中的基础理论的协同作用”，该团队的研究结果应该适用于电池、传感器、生物医学设备、纳米和分子电子学以及神经形态计算的研究。

阅读更多 研究人员观察到锂离子电池中关键界面的出现

Seminario 和 Balbuena 计划扩大他们的从头开始研究，以涵盖锂离子电池的所有组件，并将分析扩展到其他化学物质，以便他们能够完全解决电池循环过程中出现的退化影响。
Wang 及其同事将研究 SEI 层中不同材料的空间分布和相关性，以及这如何影响该层的物理特性。 “我们还将在 SEI 的特性与液体电解质的化学性质之间建立直接关联，并旨在通过优化电解质的成分来定制 SEI，以制造更好的电池，”王告诉《物理世界》。
本研究在《自然 - 能源》中有详细介绍。

PMG000038 Leaky insulating layer reduces battery lifetime – Physics World

陈晋航（左）和詹姆斯·图尔 团队成员：陈晋航（左）和詹姆斯·图尔。 由 Jeff Fitlow/莱斯大学提供）

2023年11月8日 快速加热技术可快速、廉价地从电池废料中提取有价值的金属

一种直接从锂离子电池废料中回收金属的经济有效的新方法可以显着减少这些无处不在的设备对环境的影响，同时将回收它们所需的时间缩短近 100 倍。 该技术由美国莱斯大学的科学家开发，被称为闪速焦耳加热，它已被用于从其他形式的电子废物中回收有价值的金属，且不使用有毒溶剂，并且比当前实验室方法消耗的能量更少。
“目前，95% 的电池没有被回收，因为我们没有能力回收它们，尽管电子产品废物以每年 9% 的速度增加，”领导该项目的莱斯大学纳米科学家詹姆斯·图尔 (James Tour) 说。 电动汽车最近的流行增加了这个问题的紧迫性，他补充道：“电动汽车的电池可持续使用大约 10 年，其中许多电池现在即将到期，因为我们已经使用它们大约 10 年了。”
未回收的废电池大部分最终都会被填埋，许多其他形式的电子废物（电子废物）也是如此。 这对环境不利，因为电子垃圾通常含有重金属，其中一些是有毒的。 这也是一个错失的商业机会，因为电子废物原则上可以成为铑、钯、银和金等贵金属以及铬、镉、铅和汞等成本较低的元素的重要且可持续的来源。
问题在于电子垃圾回收方法还远未完善。 最常见的是基于火法冶金，它涉及在高温下制造金属熔汤。 这些方法缺乏选择性，能源密集型，并产生危险的含重金属烟雾，特别是当废物含有熔点相对较低的金属（例如汞、镉或铅）时。
其他技术使用湿法冶金，涉及使用酸、碱或氰化物从电子废物中浸出金属。 虽然这些方法更具选择性，但它们会产生大量液体或污泥废物，并且涉及动力学缓慢的化学反应，因此难以扩大规模。 “当前的许多电池回收过程都涉及使用非常强的酸，而这些过程往往是混乱、繁琐的，”图尔观察到。
另一种替代方法是生物冶金，它通过利用微生物中的自然生物过程来分离金属，但这一有前景的技术仍处于起步阶段。

转眼间就消失了
2020 年，图尔和莱斯大学的同事开发了一种利用废弃食品和塑料等碳源生产石墨烯的方法。 后来，他们采用了这种闪速焦耳加热方法，从电子垃圾中回收贵金属，并从剩余材料中去除有毒金属。
该技术之所以有效，是因为电子废物中金属的蒸气压与碳、陶瓷和玻璃等其他废物成分的蒸气压非常不同。 在一种称为蒸发分离的过程中，研究人员通过施加持续时间不到 1 秒的强电流脉冲，将废物加热到 3400 K，从而在闪蒸室中蒸发这些金属。
团队成员 Bing Deng 解释说，然后，蒸气在真空下从闪蒸室输送到冷阱，在那里凝结成其组成元素。 然后可以使用已建立的精炼方法进一步纯化捕集器中的金属混合物。

激活黑色物质
在他们的最新研究中，图尔和同事将这一过程扩展到所谓的黑色物质，即来自锂离子电池阴极和阳极的组合废物。 使用焦耳加热方法，该团队在几秒钟内将黑色物质加热到 2100 K 以上的温度。 这种超快高温处理可以去除电池金属上的惰性层，同时降低黑色物质的氧化态，使其能够溶解在稀酸中。
“我们发现，如果‘闪蒸’黑色物质，那么只需使用低浓度盐酸就可以轻松分离出关键金属，”图尔解释道。 “你可以说闪光释放了金属，因此它们更容易溶解。 我们仍在使用酸，但数量少得多。”
利用这种方法，团队从各类混合电池废料中回收了 98% 以上的金属。 更重要的是，溶解废物只需不到 20 分钟，而传统方法则需要 24 小时。

阅读更多 城市采矿变得更快、更清洁

“传统上，工业界试图回收黑色物质，但目前的回收策略受到复杂的处理程序以及大量的能源消耗和二氧化碳排放的限制，”团队成员陈伟银说。 “我们的工艺最重要的成果是在回收过程中减少了 10 倍的酸用量和 100 倍的时间消耗。”
莱斯大学的研究人员表示，他们现在正在寻求扩大回收技术的规模。 陈告诉《物理世界》：“我们已经在实验室中展示了公斤级的回收能力，并且未来可能将闪焦耳过程集成到连续系统中。”
他们在《科学进展》中描述了他们的工作。

PMG000037 Flash heating technique extracts valuable metals from battery waste quickly and cheaply – Physics World

水气泡的照片 （图片来源：elen studio/Shutterstock）

2023年9月25日

基于液滴的“风电场”收获低速风能

中国和英国的研究人员开发了一种利用锚定离子液滴收集低速风能的技术。 这种方法利用的风力太弱，无法驱动涡轮机，可用于为小型电子设备提供动力。
近几十年来，随着世界从化石燃料转向可再生电力，风力发电出现了爆炸性增长。 2001年至2021年间，全球风电装机容量预计从24吉瓦增至840吉瓦。
然而，由于技术限制，这些装置都要求风速超过某个最小速度。 原因是涡轮机的功率输出与风速的立方成正比。 因此，风速的降低会导致发电量急剧下降，因为叶片无法有效旋转并且涡轮机变得不可靠。
实际上，这些限制意味着风电场只能在特定的地理位置运行——无论是开阔的陆地还是近海——并且需要全年风速至少为每秒 5 米才能良好运行。 不幸的是，不符合这些标准的地区（包括森林和城市，树木和建筑物阻碍风流）比最佳地区的数量和分布范围要广得多。

收获风
为了解决这一限制，由中国河北大学无机化学家单鹏领导的团队开发了一种新型系统，即使在风速低至每秒 0.2 米的情况下，也能将低品位风转化为电能。 该团队的方法基于之前的研究，该研究表明，可以通过在雨滴与表面之间的界面周围重新分布电荷来从雨滴在表面上的运动中收集能量。 然而，新的解决方案涉及离子液体滴，即氯化3-甲基-1-辛基咪唑鎓，这些离子液体通过特殊基板部分固定到位，该特殊基板带有由硅基聚合物聚二甲基硅氧烷制成的纳米线阵列。
当低速风吹过每个锚定的液滴时，它会引起内部的循环流，从而重新分布整个液体的表面电荷。 然后可以使用放置在液滴中心和边缘下方的一对电极来接入该表面电荷。 当风向不同方向吹时，研究小组证明离子液体液滴内会出现不同的流动循环模式。
该团队在《美国国家科学院院刊》上撰文称，单个液滴内的这种分层循环流可以产生高达约 0.84 V 的电压输出。利用包含许多液滴的“风电场”，该团队成功地将输出扩大到约 60 V。 他们还证明，这种小型水滴风力发电厂可以产生实际应用，产生足够的电力来为袖珍计算器的屏幕供电。
他们写道：“鉴于低级风的广泛分布和易于获取，这些发现扩大了目前尚未开发的低速风作为驱动液晶屏幕等电子设备的有吸引力的能源的巨大潜力。”

未开发的潜力
随着初步研究的完成，研究人员现在正在寻求升级其锚定液滴设计，以微调离子液体和支撑基底之间的分子间相互作用。 他们希望这将增强阴离子和阳离子的流动导向重新分配，从而提高设计的发电能力。

阅读更多 为未来提供动力：通过能量收集材料随时随地提供清洁能源

英国南安普顿大学物理学家和能源专家帕特里克·詹姆斯（Patrick James）并未参与本研究，他表示，新设计的好处可能仅限于利基应用。 “显然，这些风速非常低，风速的立方是这里的关键问题，”他告诉《物理世界》。 “该论文讨论了极低功耗应用的未来应用，因此我认为需要对这方面进行明确的审查。”

PMG000036 Droplet-based ‘wind farms’ harvest low-speed wind energy – Physics World

具有水泥超级电容器地基的房屋可以储存一天的能量
由于新的“超级电容器”混凝土将保持其强度，因此具有由这种材料制成的地基的房屋可以存储太阳能电池板或风车产生的一天的能量，并允许在需要时使用。 （由 Franz-Josef Ulm、Admir Masic 和 Yang-Shao Horn 提供）

2023年8月25日

水泥基超级电容器成为一种新型储能系统

由炭黑和水泥制成的新型经济高效的超级电容器可以在建筑物的混凝土地基中存储一天的能量，或者为电动汽车在穿过建筑物时提供非接触式充电。 开发该设备的美国麻省理工学院 (MIT) 和维斯研究所的研究人员表示，该设备还可以促进太阳能、风能和潮汐能等可再生能源的使用。
超级电容器在技术上被称为双电层或电化学电容器，其性能介于电池和传统（介电）电容器之间。 尽管超级电容器在存储电荷方面不如电池，但由于其多孔电极的表面积高达数平方公里，因此在这方面比传统电容器更好。 当施加电压时，在此类设备的电解质-电极界面处形成的双层进一步增加了它们可以存储的电荷量。
与电池相比，超级电容器还具有一些优势。 电池充电和放电可能需要数小时，而超级电容器只需几分钟即可完成。 它们的使用寿命也更长，可以持续数百万次而不是数千次。 与通过化学反应工作的电池不同，超级电容器以在电极表面聚集的带电离子的形式存储能量。
极高的内表面积
这种新装置由 Franz-Josef Ulm、Admir Masic 和 Yang-Shao Horn 领导的团队开发，包含一种具有极高内表面积的水泥基材料。 研究人员通过使用含有炭黑的干水泥混合物来实现这一目标，炭黑类似于非常细的木炭。 他们在这种混合物中添加了水和高效减水剂——混凝土生产中的标准减水剂。 当水与水泥发生反应时，它会在结构内自然形成孔隙的分支网络，碳迁移到这些孔隙中，形成具有分形结构的金属丝。 正是这种致密、互连的网络结构为材料提供了极大的表面积。
“我们将新鲜材料填充到塑料管中，并让它们硬化至少 28 天，”乌尔姆解释道。 “然后，我们将样品切成电极大小的块，将这些电极浸泡在标准电解质溶液（氯化钾）中，并用由绝缘膜隔开的两个电极构建超级电容器。”
然后，研究人员将一个电极连接到正电荷，将另一个电极连接到负电荷，从而使电极极化。 充电期间，来自电解质的带正电的离子积聚在带负电的体积碳线上，而带负电的离子积聚在带正电的碳线上。

一天的能量
由于膜的阻碍，带电离子无法在电极之间移动。 这种不平衡产生了给超导体充电的电场。 “事实上，体积线填充了可用的空间——我们通过 EDS-拉曼光谱证实了这一点——使我们能够在炭黑的极大表面上存储大量能量，”乌尔姆说。 “当我们断开超级电容器的电源时，存储的能量就会被释放，从而可以为各种应用提供电力。”
根据他们在 PNAS 中详细介绍的计算结果，一块 45 立方米（相当于 3.55 立方米）的材料将能够存储约 10 千瓦时的能量。 这与典型家庭的平均每日用电量大致相同。 因此，用含有这种碳混凝土复合材料的地基建造的房屋可以储存一天的能量（例如由太阳能电池板产生的能量），并在需要时释放它。 这种材料还可以被整合到风力涡轮机等间歇性发电机中，然后这些发电机可以在其底座中储存能量并在停机期间释放能量。

超级电容器的另一个潜在应用（尽管是高端应用）是将其添加到混凝土道路中。 然后，这些超级道路可以储存能量（可能由位于其旁边的太阳能电池板产生）并通过电磁感应将其输送给经过的电动车辆。 这项技术与用于手机无线充电的技术基本相同，研究人员表示，它也可以用于在电动汽车静止时（例如在停车场）为其充电。
他们补充说，更多的近期用途可能是在远离电网的建筑物中，这些建筑物可以使用连接到超级电容器的太阳能电池板供电。

非常可扩展的系统
乌尔姆说，该系统具有很强的可扩展性，因为能量存储容量与电极体积成比例增加。 “你可以从 1 毫米厚的电极变成 1 米厚的电极，这样基本上你就可以扩展能量存储容量，从点亮 LED 几秒钟到为整个房子供电，”他解释道。 他补充说，根据给定应用所需的性能，可以通过调整混合物来调整系统。 对于车辆充电道路，需要非常快的充电和放电速率，而对于为家庭供电“你有一整天的时间来充电”，因此可以使用充电速度较慢的材料。

阅读更多 泽维尔·艾比和古斯塔夫·尼斯特罗姆---无毒超级电容器完全可回收

乌尔姆告诉《物理世界》：“组成材料如此容易获得，这一事实开辟了重新思考储能解决方案的新方法。” “混凝土是继水之后地球上消耗最多的材料，但它带来了不可忽视的环境成本，因为全球二氧化碳排放量的约 8% 来自全球每年 4 十亿吨的产量。 因此，我们的总体重点是使混凝土成为一种多功能材料，可以提供额外的有用的社会功能。”
他指出，如果我们要遏制气候变化的影响，今天的储能至关重要，之前的研究表明，水泥-碳混合物可用于制造电子导电水泥。 然而，导电性不足以储存能量。 “我们假设，在疏水性炭黑存在的情况下使亲水性水泥水合自然会提供所需的另外两个标准：储存和运输孔隙率，”乌尔姆说。
研究人员当前的重点是制造一种可以存储与 12V 电池相同电量的超级电容器。 “我们认为该设备是更先进设备的基础砖块，”乌尔姆说。

PMG000035 Cement-based supercapacitor makes a novel energy storage system – Physics World

基于氧化还原反应的热电池 实验室：东京大学的实验热电池。 （提供：山田彻平）

2023年8月4日 热电池利用潜热发电

日本研究人员推出了一种新型“热电池”，它通过利用一对电极中与温度相关的相变来产生电压。 东京大学的 Teppei Yamada 及其同事希望他们的新技术能够促进废热回收新方法的开发。
当两种不同导电材料之间的连接处出现温差时，就会通过热电效应产生电压。 如今，人们正在探索这种现象，因为它具有从自然温度梯度中获取能量以及回收车辆、发电厂和计算机处理器的废热的潜力。
在他们的研究中，山田的团队利用热电池探索了热电效应。 这些设备利用还原氧化（氧化还原）反应的效应，使一种原子或分子获得或失去电子给另一种物质。
“热电池是热电转换系统，由表现出氧化还原反应的分子溶液组成； 它们利用氧化还原反应平衡随温度的变化而产生电能，”山田解释道。

触发反应
如果热电池的电极之间出现温差，则会触发一个电极中的氧化反应，并在另一个电极中引发还原反应，从而在它们之间产生电压。
在之前的研究中，山田及其同事研究了热电池电极的不同化学和物理变化如何提高其效率。 这是通过塞贝克系数来测量的，该系数将热电池电压的大小与其电极之间的温差联系起来。
在最新的研究中，研究人员公布了迄今为止最有效的设计——该设计基于由 PMIPAM 聚合物制成的水凝胶。 “我们专注于这些聚合物的‘线圈-球体转变’，”山田解释道。 “这种特性导致聚合物链在低温下拉伸和分离，但当温度升高时会变成球形并聚结。”
这种转变是一种独特的相变：在拉伸、卷曲的形式下，氧化的 PMIPAM 分子是亲水性的，会将水分子吸引向它们。 当它们转变成缩小的小球时，它们就会变得疏水——释放周围的水分子。

有前途的机会
对于山田的团队来说，这种温度引起的相变为利用潜热发电提供了一个有希望的机会。 这是分子从一相转变到另一相时吸收或释放的能量。
即使两相之间的能量差非常小，热电池也可以在包含氧化和还原分子的两个电极之间产生令人印象深刻的高电压。 “正如预期的那样，我们在发生线圈-球状转变的温带地区获得了很大的塞贝克系数，”山田说。

阅读更多 散热器上的 TPV 器件---热光伏电池效率高达 40%

研究小组还演示了相反的过程：通过施加电流在两个电极之间产生温差。
研究人员希望他们的结果能够为新一代由相变潜热驱动的高性能热电池铺平道路。 然而，正如山田所解释的那样，仍有很大的改进空间。 “还有许多其他材料表现出相变，”他说。 “只要我们能够赋予它们氧化还原活性，它们就可以用于热电池。”
随着未来的改进，电化学热电池可以极大地提高我们回收废热的能力。 这在空调和制冷领域特别有用——在这些领域，被冷却的空间和排出废热的区域之间会出现强烈的温度梯度。
将一些废弃能源转化回电力可能有助于减少这些冷却系统的整体能源消耗，进而减少其相当大的碳足迹。
该研究在《先进材料》中进行了描述。

PMG000034 Thermocell generates electricity from latent heat – Physics World

汽车上的保暖斗篷
热和冷：Janus 保暖斗篷用于使电动汽车保持夏季凉爽、冬季温暖。 （提供：华旭桥）

2023年8月3日 辐射斗篷使物体保持温暖和凉爽

中国研究人员研制出一种保暖斗篷，可以在炎热的天气里对物体进行辐射冷却，在寒冷的时候让物体保持温暖。 上海交通大学的崔克航及其同事表示，他们的新技术提供了一种无需输入能量即可调节温度的有前途的方法。
建筑物的供暖和制冷约占全球能源消耗的20%。 随着气候变化导致极端天气的频率和严重程度不断升级，温度控制系统在未来几十年将进一步捉襟见肘。
因此，研究人员热衷于创造低成本、碳中和的技术，可以被动调节温度，无需使用电源。

双向工作
创建此类系统的一个重要挑战是传统的热调节材料无法自动切换其辐射行为。 例如，一些冷却材料反射太阳辐射，同时在“透明窗口”中发射中红外辐射。 该窗口是电磁频谱的一部分，其中辐射不会被大气反射或吸收，并且这种发射将具有冷却效果。 然而，这些材料在低温下也会发出辐射，浪费宝贵的热量。
现在，崔和同事创造了一种新的“Janus热斗篷”（JTC），它可以在所有环境温度下调节温度。 “斗篷由面向天空的全陶瓷辐射冷却声子超织物和面向内部的光子回收箔组成，”崔解释道。
该团队选择这些材料是因为它们具有高强度和稳定性、低成本以及优异的耐火和耐腐蚀性。 因此，他们表示这种斗篷易于制造，并且能够抵御恶劣的户外环境。
JTC 的内部箔片由铝合金制成，具有高导热性，但几乎可以完美反射整个红外光谱的辐射，从而将热量捕获在内部。 研究人员表示，根据材料的可用性，也可以使用陶瓷、铜和不锈钢等材料。

双曲材料
JTC 的面向天空的超织物包括由编织二氧化硅纤维编织而成的支架，该支架与二维六方氮化硼晶体粘合。 这就产生了一种“双曲线”材料，其对入射电磁波的响应取决于其接近的角度。
与下面的箔相比，超织物具有极低的导热率，但对太阳辐射具有高度反射性 - 覆盖可见光和近红外范围。 这是由于超织物内部的光与物质相互作用，导致中红外辐射围绕其二氧化硅纤维的轴散射。 在透明窗口中，超织物几乎重新发射其吸收的所有辐射，而不将其转移到箔上。
因此，被遮蔽的物体内的热量往往会被保留，但来自环境的辐射不会倾向于加热该物体。

阅读更多 弹热冷却---新型弹热冷却系统显示出商业用途的前景

崔的团队在上海街道上停放的电动汽车上测试了 JTC，并将车内温度与未覆盖的汽车进行了比较。 在实验中，在炎热的夏天，有遮盖的汽车比没有遮盖的汽车凉爽约 8°C，在寒冷的冬夜则比无遮盖的汽车温暖 6.8°C。
“这是我们第一次实现冬夜气温比环境温度高出近 7°C，”崔描述道。 “这也让我们感到惊讶——没有能源输入或阳光，我们仍然会变暖。” 这种被动调节对于电动汽车尤其重要，因为它们的电池和电气元件无法轻易承受极端的温度波动。
对于 Cui 和同事来说，下一步将是升级他们的设计——可能会带来一系列令人兴奋的实际应用。 “热斗篷是可靠的，真正被动的，并且不涉及相变或移动部件，”他继续说道。 “这使得它有望在建筑物、车辆甚至外星环境的实际应用中使用。”
该研究在《Device》中进行了描述。

PMG000033 Radiative cloak keeps objects warm and cool – Physics World

弹热冷却 酷创意：采用金属固态制冷剂管进行弹热冷却，这是一种环保制冷技术。 （由戴嘉琪/马里兰工程公司提供）

2023年7月5日

新型弹热冷却系统显示出商业用途的前景

美国和中国的一组研究人员开发了一种弹性热冷却系统，该系统可以在金属管束释放张力时吸收热量。 由马里兰大学 Ichiro Takeuchi 领导的团队的方案实现了与其他热量材料相当的冷却性能，并可以为在不远的将来的商业用途铺平道路。
传统的制冷系统通常使用如果释放到大气中会产生严重温室效应的气体。 因此，研究人员正在开发基于热量材料的替代固态制冷技术。 当这些材料暴露于外部磁场或电场时，或者响应机械应力或压力时，会发生温度变化。 除了避免有害化学物质外，基于热量材料的冷却系统也比现有冰箱更节能。
到目前为止，这项研究主要集中在磁热材料上，但最近，弹性热材料已成为商业热冷却更有前景的候选材料。 这些材料中包括高弹性且易于制造的镍钛合金（NiTi）。

欠压
正如竹内团队十多年前首次展示的那样，这种合金的细线在张力作用下可以散发大量热量，并在张力释放时吸收热量。 “大约 12 年前，我们发现 NiTi 可以通过实验显示出很大的温度跨度，您可以用手感觉到，”Takeuchi 回忆道。 “当时，我们通过向现成的镍钛丝增加张力来证明这一点。 这就是我们开始制造弹性热量设备的方式。”
然后研究人员开始致力于开发商业上有用的冷却应用。 然而，大规模实施弹热冷却已被证明是一项重大的技术挑战。 主要问题是重复的拉伸和释放循环会损坏镍钛丝，限制其实际寿命。
为了应对这一挑战，Takeuchi 的团队开发了一种新颖的热交换系统，水通过镍钛管束被泵送。 “我们花了很长时间才克服各种工程挑战，但通过最近的演示，我们能够展示我们 10 年前的设想。 我们使用水作为热交换流体，使水冷却，从而可以用于制冷或空调，”Takeuchi 解释道。
该团队使用两个量来衡量该方法是否成功。 第一个是“提供的冷却功率”，它描述了热量去除的速率。 第二个是“温度跨度”，它描述了系统两端水温的差异。 “对于这两个重要数字，我们已经分别实现了 260 W 和 22.5 K，”Takeuchi 说道。 研究人员只需调整换热系统中阀门的操作顺序，即可依次最大化这些值。

迎头赶上
这些最新结果是弹热材料如何赶上磁热材料的冷却性能的一个例子，并且很快可能成为商业冷却系统的可行候选者。

阅读更多 固态冷却是通过电场感应应变实现的

然而，竹内承认，弹热材料的实际应用可能还有一段路要走，因为它可能需要首先开发更先进的材料。 “镍钛合金所需的高应力仍然是一个问题，但即将出现一些材料，即其他超弹性材料，已知这些材料可以在应力小得多的情况下表现出弹热效应，”他说。
“这些材料开发程度较低，尚未商用，但我们相信进一步开发这些材料并将其应用于低应力冷却系统是一个非常令人兴奋的前景。” Takeuchi 的团队已经制定了紧凑型弹性热酒柜的计划，并希望在这些材料可用后展示一个成功的原型。
这项研究在《科学》杂志上有描述。

PMG000032 New elastocaloric cooling system shows promise for commercial use – Physics World

照片显示新型柔性硅太阳能电池在人手中像一张脆弱的卡片一样翻倒
灵活的模块。 （提供：刘W）

2023年6月23日 硅太阳能电池获得新的灵活性

大多数硅太阳能电池是完全刚性的，但中国、德国和沙特阿拉伯的研究人员现已成功使它们像纸一样弯曲和弯曲。 新型柔性电池的基准功率转换效率为 24%，在实验室产生的风中拍打 20 分钟后，它们仍保持 96.03% 的效率。 它们对温度变化也具有鲁棒性，在 –70 至 85 °C 的温度之间循环两小时后，其效率仅损失 0.38%。
传统硅基太阳能电池占当今市场上所有太阳能电池的 95%。 经过几十年的发展，这些电池能够非常有效地利用阳光发电。 它们的主要缺点是硅是一种脆性材料，弯曲时很容易破裂，这意味着标准硅太阳能电池无法部署在起伏或柔性表面上。
由非晶硅、Cu(In,Ga)Se2、CdTe、有机物或钙钛矿等其他材料制成的薄膜太阳能电池在许多方面都是有吸引力的替代品。 然而，它们通常含有有毒元素（例如铅或镉）或稀有且昂贵的元素（例如铟或碲）。 它们还存在功率转换效率低的问题，并且在正常工作条件下化学性质不稳定。

剪切而不是断裂
科学家们早就知道，有纹理的晶体硅片在其边缘的金字塔形特征之间形成的某些尖锐界面处开始破裂。
在最新的工作中，中国科学院上海微系统与信息技术研究所刘文竹领导的研究小组利用这一事实来提高晶圆的灵活性。 他们通过化学和等离子蚀刻钝化裂纹引发界面来做到这一点。 一旦变钝，晶片就不再破裂。 相反，它形成了一个微观的裂纹网络，使其能够弯曲甚至卷起。
以这种方式处理晶圆后，研究人员证明他们可以用它们来制造异质结太阳能电池。 当组装成面积大于10,000 cm2的大型柔性模块时，新型电池的功率转换效率高达23.4%。 基于氟化镁的抗反射涂层进一步提高了效率，达到 24.6%。

阅读更多 过渡金属二硫属化物太阳能电池---超薄柔性太阳能电池效率提升

耐振动和反复弯曲
“这些设备能够抵抗振动和反复弯曲（1000 次左右弯曲循环），并且可以制成轻质大面积柔性太阳能模块，”刘告诉《物理世界》。 “它们可能适合需要此类特性的建筑集成和汽车集成光伏发电。”
虽然新电池可以承受 30 m/s 的模拟风速 20 分钟的条件，但它们对于高速冰雹的抵抗力还不够强。 研究人员在《自然》杂志上报告了他们的工作，他们表示他们现在正在研究解决这个问题的方法。

PMG000031 Silicon solar cells gain new flexibility – Physics World

LRESE 抛物面盘：太阳能反应器将太阳能转化为氢气，效率超过 20%，每天生产约 0.5 千克“绿色”氢气。 （鸣谢：LRESE EPFL）

2023年5月18日

聚光太阳能反应堆产生前所未有的氢气量

一种新的太阳辐射集中装置以超过 2 千瓦的速率生产“绿色”氢气，同时保持 20% 以上的效率。 该试验规模的设备已经在真实的阳光条件下运行，还可以产生可用的热量和氧气，瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的开发人员表示，它可以在不久的将来实现商业化。
新系统位于 EPFL 校园的混凝土基础上，由一个直径七米的抛物面盘组成。 这个盘子在 38.5 m2 的总面积上收集阳光，将其集中约 1000 倍，并将其引导到包括光伏和电解组件的反应器上。 来自集中阳光的能量在光伏材料中产生电子-空穴对，然后系统将其分离并传输到集成电解系统。 在这里，能量用于“分解”以最佳速率泵送通过系统的水，从而产生氧气和氢气。

大规模整合
当然，这些过程中的每一个都在之前得到了证明。 事实上，Nature Energy 中描述的新 EPFL 系统建立在 2019 年之前的研究基础上，当时 EPFL 团队使用高通量太阳能模拟器在实验室规模上展示了相同的概念。 然而，新反应堆的太阳能制氢效率和每天约 0.5 千克的氢气生产率在大型装置中是前所未有的。 该反应堆还在 70°C 的温度下产生可用的热量。
EPFL 可再生能源科学与工程实验室 (LRESE) 负责人 Sophia Haussener 表示，新系统的多功能性构成了其商业吸引力的重要组成部分。 “这种热电联产系统可用于金属加工和化肥制造等工业应用，”Haussener 告诉 Physics World。 “它还可以用于生产供医院使用的氧气和用于电动汽车燃料电池的氢气，以及住宅环境中用于加热水的热量。 产生的氢气在储存几天甚至季节性后也可以转化为电能。”

阅读更多 为什么你应该专注于这种形式的太阳能

Haussener 及其同事现在正忙于在以模块化方式部署各个反应堆的环境中进一步扩展他们的系统，就像人工花园中的树木一样。 LRESE 的子公司 SoHHytec SA 正在部署该技术并将其商业化，并与一家位于瑞士的金属生产设施合作，建造一座 100 千瓦规模的示范工厂。
该团队的另一个未来方向可能是开发一个类似的系统，将二氧化碳转化为二氧化碳、乙烯或其他产品加氧气。 Haussener 解释说：“这将使我们能够对 CO2 进行定价并为工业过程生产其他前体。” “例如，乙烯可用于绿色塑料生产，二氧化碳可与氢气一起用于液体燃料生产。”

PMG000030 Concentrated solar reactor generates unprecedented amounts of hydrogen – Physics World

技术进步：自 1990 年代初以来，锂离子电池的能量密度已从 80 Wh/kg 提高到 300 Wh/kg 左右。 （鸣谢：B Wang，Chinese Phys. Lett. 10.1088/0256-307X/40/4/048201）

2023年4月21日 锂离子电池打破能量密度记录

研究人员成功制造出能量密度超过 700 Wh/kg 的可充电软包锂电池。 新设计包括一个高容量的富锂锰基阴极和一个具有高比能的薄锂金属阳极。 如果进一步开发，该设备可以用于电动航空等应用，这需要比目前可用的电池能量密度高得多的电池。
锂离子电池是帮助实现气候中和目标的关键技术。 它们越来越多地被用于为电动汽车提供动力，并作为家用设备的主要部件来储存可再生能源产生的能量。 该技术也取得了长足的进步：自 1991 年索尼首次商业化以来，锂离子电池的能量密度已从 80 Wh/kg 提高到 300 Wh/kg 左右。
然而，要实现真正的无碳经济，将需要比当前锂离子技术所能提供的性能更好的电池。 例如，在电动汽车中，一个关键的考虑因素是电池尽可能小和轻。 实现该目标需要高于 400Wh/kg 的能量密度。 问题在于，当今的锂离子电池主要包含插层型正极（例如，LiFePO4、LiCoO2 或 LiNixMnyCozO2，x+y+z=1）和石墨基负极，这些电极的能量密度已接近其上限 限制。

充放电电压高
在这项新工作中，由北京中国科学院物理研究所的 Xiqian Yu 和 Hong Li 领导的研究人员使用超厚高放电容量 Li1.2Ni0.13Co0 制造了实用的袋式可充电锂电池。 面积容量超过10 mAh/cm2的13Mn0.54O2正极和锂金属负极。 富锂锰基氧化物的高充放电电压允许更高的锂离子存储容量。
“阳极采用超薄金属锂，采用隔膜涂层技术，解决了大表面容量超薄锂可逆沉积的恼人问题，”第一作者 Quan Li 解释道。
李告诉物理世界，这些设备的重量能量密度为 711.3 Wh/kg，体积能量密度为 1653.65 Wh/L，两者都是基于插层型阴极的可充电锂电池中最高的。
“在电池制造方面，我们的四肢电池结构设计（包括使用超薄集电器）经过量身定制，可最大限度地减少辅助材料的使用，同时提高活性材料在整个电池中的比例，”他补充道。 “这种协同方法使电池具有超高能量密度。”

远程电动汽车和电动航空可能会受益
新设备可以使远程电动汽车和电动航空受益，这两者对电池能量密度的要求越来越高。 李说，这项研究还可以帮助解决与电池技术相关的一些固有问题。
“例如，它提供了如何平衡高能量密度电池的安全性和其他重要因素的见解，这将有助于未来高能量密度电池的实际实现。 对能量密度接近理论极限的电池的研究也将有助于提高我们对固态离子学和固态电化学的了解，或许有助于新材料和电池系统的技术创新。”

阅读更多 锂离子电池在寒冷中充电

研究人员在《中国物理快报》上报告了他们的工作，他们解释说，锂离子电池的能量密度、循环性能、倍率性能和安全性之间始终存在权衡。 他们说，安全是首要要求，但提高能量密度会增加电池运行期间的风险。 “必须在确保安全的同时逐步提高能量密度，”李说。 “我们的目标是通过固态电池技术提升电池安全性能，让高能量密度电池更加实用。”
他补充说，高能量密度电池的循环性能也仍然落后于目前商业化的电池。 “这个参数需要综合考虑，以满足特定领域的要求。 因此，超高能量密度电池的实际应用还需要相当长的时间。 解决阻碍其实际应用的挑战将是我们未来研究工作的持续方向。”

PMG000029 Lithium-ion batteries break energy density record – Physics World

在实验室中：团队成员 Ashleigh Kropp（左）和 Rhys Grinter。 （提供：莫纳什大学）

2023年4月3日 细菌酶从大气氢中产生能量

一种将空气中存在的氢气催化转化为能量的酶可用于廉价高效的氢燃料电池等应用。 这种酶由澳大利亚莫纳什大学的研究人员从细菌中提取，与包括铂在内的所有其他氢氧化催化剂不同，它对氧气也不敏感。
“称为 Huc 的氢化酶对氢具有如此高的亲和力，以至于它能够氧化大气中的氢浓度，”研究小组负责人克里斯格林宁解释道。 “这与所有已知的氢氧化催化剂形成鲜明对比，这些氢氧化催化剂无法消耗环境水平的氢气。”
莫纳什团队对 Huc 的研究可以追溯到大约九年前格林宁的博士学位。 他和他的同事正在研究耻垢分枝杆菌如何能够在没有任何有机食物来源的情况下连续多年存活。 格林宁回忆说，这项工作导致了一个惊人的发现：这种细菌实际上生活在空气中。 “它吸收大气中的氢并将其用于有氧呼吸。”

无处不在的能源
鉴于大气中的氢是一种无处不在、可扩散且有效的能源，它为许多细菌的生存提供了可靠的生命线，尤其是在南极土壤、火山口和深海等营养贫乏的环境中。 然而，直到现在，研究人员还不知道细菌如何利用空气中的微量氢气。
在这项新工作中，Greening 及其同事从耻垢分枝杆菌中提取了 Huc。 通过使用冷冻电子显微镜等先进的显微技术来确定其原子结构和电通路，以及采用电化学，他们表明 Huc 能够以非凡的效率将微小浓度的 H2 气体转化为电流，同时对氧气不敏感（氧气通常起作用 作为氢氧化催化剂的“毒药”）。 它通过将大气 H2 的氧化与呼吸电子载体甲基萘醌的氢化偶联，使用狭窄的疏水气体通道以牺牲 O2 为代价选择性地结合 H2 来实现这一点。
Huc 还耐热，可以加热到 80°C，同时保持其产生能量的能力。 这使它能够在最极端的条件下生存。 更重要的是，产生像 Huc 这样的酶的细菌很常见，这意味着研究人员可以随时获得可持续的酶来源。

阅读更多 漆酶---改善酶燃料电池中的电子转移

“在基础层面上，我们已经发现了细菌‘靠空气生存’的机制，”格林宁告诉《物理世界》。 “这个过程非常重要，因为它调节我们大气中的氢含量，还有助于维持土壤、海洋甚至一些极端环境（如南极洲）的生产力和多样性。”
根据研究人员的说法，他们在《自然》杂志上详细介绍了他们的研究，这种酶有很大的潜力被用作氢燃料电池的基础。 他们说，考虑到这种酶实际上是从空气中获取能量，因此也可能在气动设备中有一些应用。
该团队现在正忙于将 Huc 的产量从毫克级扩大到更高。 “这将使我们能够更深入地了解它的工作原理并开发其工业应用，”Greening 说。

PMG000028 Bacterial enzyme produces energy from atmospheric hydrogen – Physics World

供水：新型水凝胶可以净化足够的水来满足人们的日常需求。 （来源：iStock/Doucefleur）

2023年3月1日 太阳能驱动的水凝胶净化受污染的水

研究人员开发出一种具有类似丝瓜络结构的太阳能水凝胶，可以快速净化大量被油、金属和微塑料污染的水。 这种材料即使在阴天也能正常工作，可以提供足够的饮用水来满足人们的日常需求。
水凝胶在水净化等应用中显示出很大的前景，但由于迄今为止所研究的材料的闭孔结构，目前的技术无法产生足够量的水。 相比之下，许多人用来去除角质的天然丝瓜络具有大而开放且相互连接的毛孔。 因此，水可以通过这些结构以显着加快的速度过滤。
在这项新工作中，由普林斯顿大学的 Rodney Priestley 和 Xiaohui Xu 领导的一组研究人员制造了一种具有相互连接的开孔结构的丝瓜状太阳能吸收凝胶 (LSAG)。 这种凝胶可以从各种受污染的水源中以大约 26 公斤/平方米/小时的速度生产饮用水，他们说，这个速度足以满足一个人的日常用水需求。
研究人员使用乙二醇-水溶剂从聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）、聚多巴胺（PDA）和聚（磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯）（PSBMA）中制备了 LSAG。
“我们使用混合溶剂作为聚合介质，通过自由基聚合开发了丝瓜络启发的 PNIPAm 水凝胶，”Xu 解释说。 “然后，我们通过原位聚合方法用 PDA 和 PSBMA 对 PNIPAm 进行功能化，从而产生一种多功能且高度耐用的太阳能吸收材料来净化水。”

阳光驱动的水凝胶：一种受丝瓜海绵启发的多孔水凝胶在室温下吸收污染的水，然后在加热时迅速释放纯净水。 （来源：ACS Central Science 2023，DOI：10.1021/acscentsci.2c01245）

从亲水到疏水
研究人员测试了他们的丝瓜状太阳能凝胶，方法是将其浸入低于其较低临界溶解温度 (LCST) 的受污染水溶液中，低于该温度凝胶是亲水性的。 他们观察到凝胶通过吸收大量水而膨胀，同时吸收污染物。
然后，他们将凝胶暴露在 0.5 到 1 kW/m2（0.5-1 个太阳）之间的模拟阳光下，将其温度提高到 LCST 以上。 徐说，这会导致凝胶从亲水状态转变为疏水状态，从而使净化水迅速释放。 事实上，凝胶仅在 10-20 分钟内就释放了大约 70% 的储存液体。

阅读更多 净水器在湖中的照片---太阳能净水器的灵感来自河豚

据在 ACS Central Science 报告工作的研究人员称，新型太阳能吸收凝胶可以开启“太阳能水生产的新范式，有可能满足人类的日常需求”。
该团队目前正致力于开发一种能够有效杀死水中细菌的抗菌水凝胶。 “我们还将测试我们的凝胶净化被 PFAS [全氟和多氟烷基物质]污染的水的能力，”Xu 告诉 Physics World。

PMG000027 Solar-driven hydrogel purifies contaminated water – Physics World

利用全光谱的太阳光有助于提高新系统的效率，该系统使用含有氮化铟镓催化剂的太阳能电池板实现了创纪录的超过 9% 的太阳能制氢效率。 （来源：Z Mi）

2023年2月7日 产氢太阳能电池模仿光合作用

两个独立的团队从大自然中汲取灵感，开发出更好的太阳能电池制氢方法。 来自美国密歇根大学的第一个团队使用含有氮化铟镓 (InGaN) 催化剂的太阳能电池板实现了创纪录的超过 9% 的太阳能制氢效率。 来自瑞士洛桑联邦理工学院和欧洲丰田汽车公司的第二个团队创造了一种新型透明多孔气体扩散电极，它可以从空气中收集水，并在暴露在阳光下时将其转化为氢气。 原则上，这两种技术都可以以“绿色”方式为燃料电池和工业过程供应氢气，而不需要化石燃料前体。
在光催化太阳能水分解中，科学家利用来自太阳光的能量将水分解成其组成元素：氧和氢。 这个过程模拟了自然光合作用中的关键步骤，可能是一种清洁和可再生的能源生产方式。 问题在于，太阳能制氢 (STH) 过程的效率非常低，与基于化石燃料的各种工业过程所需的大量氢气生成方法相比，它不经济。

9.2% 的效率
在密歇根州，Zetian Mi 及其同事使用太阳光谱的紫外到可见光部分光激发半导体 InGaN，使其产生电子和“空穴”（带正电荷的区域），可以将水分解为氢和氧。 然后，研究人员利用太阳光的红外线部分将反应系统加热到 70 °C 左右。 这种加热有助于防止氢气和氧气重新结合形成水，这是水分解中的主要“逆反应”，也是 STH 效率的主要限制因素。
该策略的结果是，自来水和海水的 STH 效率约为 7%，而位于室外的大型原型光催化水分解系统的 STH 效率为 6.2%。 在室内，该系统的效率达到了 9.2%——比之前同类型的太阳能水分解实验高 10 倍。
该团队在《自然》杂志上描述的该设备在高温和相当于 160 个太阳的光强下也很稳定。 “原则上，这项技术可以为燃料电池站和任何需要氢气的工业过程提供氢气，”米告诉物理世界。 “与传统的集中式蒸汽甲烷重整工艺相比，这种方法的一个独特优势是氢气的分布式发电，从而显着降低了与氢气运输相关的成本。”

像一片人造树叶
同时，由 EPFL 团队的 Marina Caretti 及其同事制造的气体扩散电极是基于石英（二氧化硅）纤维加工成毡片，然后在 1350 °C 的温度下熔合在一起。 该团队在 600 °C 的常压化学气相沉积工艺中用三氯化单丁基锡和三氟乙酸在 10 分钟的大气化学气相沉积过程中，用一种光活性材料、氟掺杂氧化锡的透明薄膜涂覆了所得透明多孔基板。
由此产生的结构具有 90% 的孔隙率，使其与空气中的水蒸气接触量最大，并具有 20 ± 3 Ω sq−1 的良好电导率。 它也是透明的，允许光线穿过涂层半导体。
当暴露在阳光下时，这个装置就像一片人造树叶，从空气中收集水分并利用阳光产生能量（在这种情况下以氢气的形式）。 来自太阳辐射的能量储存在氢键中，类似于植物叶子在光合作用过程中产生的糖和淀粉的化学键中储存能量的方式。

技术可以从空气中收集湿度
EPFL 研究人员详细介绍了他们在 Advanced Materials 方面的工作，他们承认他们的光电化学 (PEC) 设备的太阳能到氢气的转换效率非常低。 然而，将这种效率最大化并不是他们研究的目标，团队成员凯文·西弗拉指出，其最大理论效率约为 12%。 他说，这表明“有改进的希望”。

“该系统概念还将消除对传统上用于 PEC 设备的高酸性电解质的需求，”他告诉 Physics World。

阅读更多 光活化催化剂可制成近乎完美的水分解器

EPFL 团队的原型在一个太阳的光照下只能稳定大约一个小时，Sivula 说这“需要改进”才能使该设备实用。 它的一个可能应用可能是在 PEC 电池中，它使用入射光来刺激光敏材料，例如浸入液体溶液中的半导体。 这种情况下的目标是驱动化学反应，但这个过程有一些缺点——一个是制造使用这种溶液的大面积 PEC 设备很复杂。 这项新工作表明，PEC 技术可以改为从空气中收集湿度。

优化中
EPFL 研究人员现在正在寻求通过研究不同的纤维和孔径以及不同的半导体材料来优化他们的系统。 他们在欧盟项目 Sun-to-X 的背景下继续他们的工作，该项目致力于推进这项技术。
就密歇根研究人员而言，他们现在计划使用膜将纯氢从光催化水分解过程中产生的混合氢和氧中分离出来。 “我们还将开发一种新的光催化方法，通过水分解直接生产高纯度氢气，”米说。

PMG000026 Hydrogen-producing solar cells mimic photosynthesis – Physics World

英国剑桥国王学院教堂附近的卡姆河上漂浮的人造叶子——利用阳光和水产生清洁燃料。 （来源：维吉尔安德烈）

2022年9月16日漂浮的人造叶子可以产生太阳能燃料

来自英国剑桥大学的研究人员表示，轻到可以漂浮在水面上的叶状装置可用于从位于开放水域的太阳能农场产生燃料——这是一条以前从未探索过的途径。开发了它们。新设备由薄的柔性基板和基于钙钛矿的光吸收层制成，测试表明它们可以在漂浮在 River Cam 上时产生氢气或合成气（氢气和一氧化碳的混合物）。
像这样的人造叶子是一种光电化学电池 (PEC)，它通过模仿光合作用的某些方面将阳光转化为电能或燃料，例如将水分解成氧气和氢气。这与将光直接转化为电能的传统光伏电池不同。
由于 PEC 人造叶子在一个紧凑的设备中包含光收集和催化组件，因此它们原则上可用于廉价而简单地从阳光中生产燃料。问题是目前制造它们的技术无法扩大规模。更重要的是，它们通常由易碎和笨重的散装材料组成，这限制了它们的使用。
2019 年，由 Erwin Reisner 领导的一组研究人员开发了一种人造叶子，可以利用阳光、二氧化碳和水产生合成气。该装置包含两个光吸收剂和催化剂，但它还包含厚玻璃基板和涂层以防潮，这使得它很笨重。

新的轻量级版本
为了制造新的、更轻的版本，Reisner 和他的同事们必须克服几个挑战。第一个是将光吸收剂和催化剂集成到耐水渗透的基材中。为此，他们选择了一种薄膜金属氧化物、钒酸铋 (BiVO4) 和称为卤化铅钙钛矿的光敏半导体，它们可以涂在柔性塑料和金属箔上。然后他们用微米厚的防水聚对苯二甲酸乙二醇酯覆盖这些设备。结果是一个有效的结构，看起来像一片真正的叶子。
Reisner 解释说：“我们将光吸收器放置在设备的中心，以保护它们免受水的影响。” “特别是对水分敏感的钙钛矿需要完全隔离。”
催化剂沉积在装置的两侧。钙钛矿和 BiVO4 收集太阳辐射，但它们不像光伏板那样发电，而是利用收集到的能量在催化剂的支持下为化学反应提供动力。 “这使我们能够从根本上推动太阳能电池板上的化学反应——在我们的案例中，用水将温室气体二氧化碳转化为合成气，这是一种重要的工业能源载体，”赖斯纳告诉物理世界。
研究人员测试了他们漂浮在剑桥卡姆河上的叶子，发现它们将阳光转化为燃料的效率与天然植物叶子一样高。事实上，含有铂催化剂的装置实现了 4,266 μmol H2 g-1 h-1 的活性。

燃料合成农场
“太阳能农场已成为电力生产的热门场所；我们设想类似的燃料合成农场，”团队成员 Virgil Andrei 说。 “这些可以供应沿海定居点、偏远岛屿、覆盖工业池塘或避免灌溉渠中的水蒸发。”

阅读更多 受针叶树叶启发，液流在表面上转向

“许多可再生能源技术，包括太阳能燃料技术，会占用大量陆地空间，因此将生产转移到开放水域意味着清洁能源和土地使用不会相互竞争，”Reisner 补充道。 “理论上，你可以把这些设备卷起来，放在几乎任何国家的任何地方，这也有助于能源安全。”
研究人员表示，他们现在将致力于扩大和提高设备的效率和稳定性。 Reisner 说：“我们的团队还在研究新的催化剂，以扩大人造叶子的化学范围，使我们能够从丰富的原料中生产其他产品，理想情况下，从长远来看，可以按需生产许多不同的化学品。”
本研究在《自然》杂志上有详细介绍。

PMG000025 Floating artificial leaves could produce solar-generated fuel – Physics World

研究人员设计了一种蔗糖改性水性电解质，可增加锌离子响应电场的迁移率，并在不影响电化学性能的情况下成功实现无枝晶锌电池。 （提供：台湾清华大学纳米研究院）

2022年9月5日 一勺糖会使树突下降

水性锌电池是其锂离子电池的有希望的替代品，但它们存在相同的问题之一：枝晶的形成。这些针状结构在锌阳极表面形成并生长到电解质中，导致电池短路，在某些情况下甚至点燃。中国的一组研究人员现已表明，在电解液中添加经羟基化学修饰的普通食糖（蔗糖）可以通过改变溶剂环境来减缓锌枝晶的生长。更重要的是，蔗糖还在阳极上形成保护涂层并减缓其腐蚀。
锂离子电池是当今便携式电子产品和电动汽车中使用最广泛的电池，但它们所含的易燃有毒有机电解质令人担忧。与其他一些更常见的金属相比，锂也很昂贵，全球供应受到各种不确定性的影响。通常由水性电解质形成的锌电池是一种有吸引力的替代品，因为锌比锂更便宜、毒性更小、更容易回收和更广泛地使用。它们还具有高能量密度、高比容量（820 mAh/g 和 5 855 mAh/cm3）和良好的氧化还原电位（-0.76V 与标准氢电极相比）的锌负极。
问题在于，当阳极表面的锌离子（Zn2+）浓度降至零时，枝晶开始在其上生长。这些结构的存在会导致电池的电化学性能恶化，如果不加以控制可能会很危险。

修改溶剂环境
最近的研究表明，通过例如引入盐或减少水分子来改变溶剂环境（或“溶剂化结构”）可以提高 Zn2+ 离子响应电场的移动速度，从而抑制枝晶生长。然而，不幸的是，这种调整会降低电池系统的离子电导率，从而导致整体性能下降。

在这项新研究中，由中国科学技术大学纳米技术专家刘美楠领导的研究人员发现，引入含羟基的蔗糖是调节 Zn2+ 离子溶剂化结构的有效途径，从而提高了离子的传播速度。不降低离子电导率。蔗糖还可以稳定水性电解质，同时吸收到锌阳极上，在其上形成保护层。他们说，这阻碍了锌阳极上电解质的腐蚀。
“与电解液中的水分子相比，具有羟基的蔗糖与 Zn2+ 相互作用强烈，”Liu 解释说。 “因此它可以取代一些水分子并与 Zn2+ 配位，从而调节离子的溶剂化结构。”

枝晶形成减少
“改进的 Zn2+ 溶剂化结构对离子的动力学有重要影响，包括它们通过电解质扩散的速率，”她告诉物理世界。 “我们的实验结果清楚地表明，Zn2+ 离子的迁移数随着蔗糖的引入而增加。如前所述，这种增强的离子迁移率有助于减少枝晶的形成。”

阅读更多 杨全红---工业盐使锌电池更安全、更可持续

据研究人员称，他们的技术可以帮助科学家开发高性能锌电池，并使安全、环保的锌电池更接近现实。
展望未来，Liu 及其同事表示，他们计划专注于开发在较低温度下具有良好离子电导率的电解质。他们在《纳米研究》中详细介绍了他们目前的研究。

PMG000024 A spoonful of sugar makes the dendrites go down – Physics World

卤化物钙钛矿相杂质（黄色）光致降解的艺术想象图（来源：Tiarnan A. S. Doherty）

2022年7月11日 纳米级杂质降解卤化物钙钛矿

英国和日本的研究人员首次确定了钙钛矿材料开始降解的位置。这种退化是由作为电荷载体在材料晶体结构中移动的“陷阱”的缺陷形成引起的，是太阳能电池等基于钙钛矿的器件商业化的障碍，因为它会随着时间的推移降低它们的效率。因此，这项新工作可以通过指出控制缺陷形成的方式来帮助提高钙钛矿的稳定性和性能。
金属卤化物钙钛矿具有 ABX3 结构，其中 A 通常为铯、甲基铵 (MA) 或甲脒 (FA)； B是铅或锡； X是氯、溴或碘。它们是薄膜太阳能电池的良好候选者，因为它们可以吸收太阳光谱中广泛波长范围内的光。事实上，这些材料现在拥有超过 25% 的单结电池和近 30% 的串联钙钛矿/硅电池的功率转换效率 (PCE)。这意味着它们可以与硅、砷化镓和碲化镉等已建立的太阳能电池材料相媲美。它们的加工成本也可能比晶体硅便宜，并且可以制备成液体墨水，通过印刷来生产薄膜。

双重麻烦
钙钛矿的一大缺点是它们天然存在的缺陷。这些缺陷是双重麻烦，因为除了捕获光激发的电荷载流子（电子和空穴）外，事实证明它们也是钙钛矿的光吸收层开始发生光化学降解的位点。
在这项新工作中，英国剑桥大学和日本冲绳科学技术研究所 (OIST) 的研究人员研究了钙钛矿薄膜的纳米结构，以及当它们暴露在阳光下时这种纳米结构如何随时间变化。该团队与位于英国迪德科特的钻石光源和电子物理科学成像中心 (ePISC) 以及剑桥的材料科学与冶金系合作，使用了几种高空间分辨率技术来表明，即使是痕量的缺陷会影响材料的稳定性（从而影响其使用寿命）。这些缺陷周围的降解速度比周围的原始材料快得多，并且降解的薄膜还包含在缺陷周围形成的形态孔。

控制杂质
研究人员报告说，缺陷的类型及其在材料中的分布方式取决于钙钛矿薄膜的成分及其加工方式。因此，可以通过控制这些杂质来减轻性能损失和内在降解过程，这需要仔细管理局部结构和化学性质。
“我们知道结构调整（钙钛矿晶格的倾斜）可以抑制最有害的缺陷相的形成，”剑桥博士生、《自然》杂志上一篇描述该团队发现的论文的主要作者 Stuart Macpherson 解释说。 “事实上，在文献中一些高度稳定的设备中，这种效应在不知不觉中得到了应用。”

阅读更多 薄膜保护钙钛矿太阳能电池---钙钛矿太阳能电池经受住湿热

麦克弗森告诉《物理世界》，消除这些缺陷特征将带来双重好处，即提高效率和延长使用寿命。 “推进这一策略并确定具有类似效果的钝化剂将是这项工作的自然后续行动，”他补充道。
剑桥-冲绳团队现在正在扩展其表征工具包，以继续研究缺陷相对其他钙钛矿材料的影响。 “我们还在努力根据我们的发现优化设备制造过程，以制造既高效又稳定的太阳能电池，”麦克弗森说。 “我们未来的工作将集中在探索杂质相对钙钛矿太阳能电池内物理过程的根本影响。”

PMG000023 Nanoscale impurities degrade halide perovskites – Physics World

当水分子进入其层状结构时，热量从锰氧化物材料中释放出来。 来源：东北大学

2022年5月16日 氧化锰矿物是蓄热冠军

一种在其层间结合水的氧化锰可以成为理想的蓄热材料。新合成的氧化物在成分上与普通矿物水钠锰矿相似，创造它的日本研究人员表示，其体积能量密度超过 1000 MJ/m3——接近理论最大值，也是所有矿物中最高的“将其他分子锁定在其结构中。
在东北大学材料研究所和理学公司的 Tetsu Ichitsubo 和 Norihiko Okamoto 的带领下，研究人员用结晶水制造了他们的层状氧化锰，形成了一种称为 δ 型 K0.33MnO2·nH2O 的所谓插层化合物。层间的水分子很容易通过加热丢失，研究小组使用 X 射线衍射仪和透射电子显微镜来研究材料的结构在加热或冷却时如何变化。

快速和可逆的转变
研究小组发现，当材料被加热到 200°C 时，水消失了。然后，当冷却到 120°C 并暴露在周围环境中的水分中时，所得的脱水材料会释放这种吸收的热能。根据 Ichitsubo 的说法，这种机制对于储热非常有利。它也非常快速、可逆，并且材料的结构保持稳定。
“一开始，水在材料中几乎被冻结，一旦释放，水就会变成蒸汽形式，”他解释道。 “我们可以利用这些固相和气相之间的巨大熵差来储存热量。”

大量的蓄热应用
研究人员使用湿度控制的热重分析法和差热分析法以及差示扫描量热法分析了材料的储热特性。根据 Ichitsubo 的说法，他们测量的热量能量密度足够高，可以用于空间有限的储热应用。

阅读更多 可视化结晶---克服过冷以改进储热技术

他建议，一种可能性是屋顶系统，通过将脱水的锰氧化物化合物暴露在周围的水分中，白天从太阳能中收集的能量在晚上得到释放。另一种选择可能涉及汽车。 “在这里，废热可以在驾驶车辆时储存起来，然后根据需要释放，以便在以后加热发动机或电池，”他告诉物理世界。
研究人员详细介绍了他们在《自然通讯》中的工作，他们说，他们的层状氧化锰很容易通过热分解高锰酸钾 (KMnO4) 来合成。他们现在计划增加材料中可以容纳的水量。 “我们将通过优化化合物中散布离子种类的浓度来做到这一点，从而进一步提高其体积能量密度，”Okamoto 透露。
这篇文章于 2022 年 5 月 19 日进行了修订，删除了对“水晶体”的提述，该提述不是“结晶水”的同义词；前者指的是结晶形式的水（换句话说，冰），而后者指的是结合到另一种材料的晶格中的水分子。

PMG000018 Manganese oxide mineral is a heat-storage champion – Physics World

显示电池充电条的概念图，电池沐浴在凉爽、冰冷的颜色中
（来源：iStock/MF3d）

2022年6月28日 锂离子电池在寒冷中充电

当温度降至冰点以下时，锂离子电池无法保持足够多的电量，因此无法很好地充电。中国交通大学的研究人员表示，他们现在通过用“凹凸不平”的碳基材料取代这些设备中的传统石墨阳极，克服了这个问题。新结构将其可充电存储容量保持在 -20°C，使其可用于寒冷环境，例如高海拔地区、航空航天应用和深海探索，以及其他电动汽车需要在极端条件下工作。
锂离子电池广泛应用于从手机到电动汽车的各种应用中。这些设备具有高容量和高能量密度，这意味着它们可以非常快速地存储大量电荷。在充电过程中，锂离子通过电解质从阴极移动到阳极，该电解质通常由溶解在液体有机溶剂中的锂盐制成。然而，在接近零摄氏度的温度下，这些设备中的阳极可能无法转移任何电荷——这种现象被称为严重的容量下降。

改性阳极表面结构
研究人员最近发现，锂离子电池阳极中石墨的扁平取向会降低电池在低温下的储能能力。在这项新工作中，由交通大学物理科学与工程学院的王曦和北京分子科学国家实验室的姚建年领导的研究小组因此选择修改这种阳极的表面结构，以提高能量。电极中的转移过程。
为了制造新的“凹凸不平”材料，Wang、Yao 及其同事首先在高温下加热一种名为 ZIF-67 的含钴沸石材料。这将创建一个由 12 面碳纳米球制成的表面，该表面具有正曲率，就像一个碗。该材料在 -20°C 下的可逆容量（衡量电池多次循环后的容量）为 624 mAh/g，相当于其室温能量容量的 85.9%。即使在 -35°C 下，200 次循环后可逆容量仍保持在 160 mAh/g。

扩大锂离子电池的应用范围
研究人员的计算表明，由于占据非共面 sp2 杂化轨道的电荷的局部积累，新的凹凸表面实际上唤醒了锂离子阳极在低温下的迟缓行为。这些累积的电荷促进了电荷转移过程。

阅读更多 锂电池-三明治策略让固态锂电池寿命更长

“这项工作可以扩大锂离子电池在低温下的应用范围，”王说。 “从理论的角度来看，这个想法是通过电子结构在 Li+ 存储的低温性能与其几何形状之间架起一座桥梁，这可能为先进电极材料开辟新的研究途径，”他告诉物理世界。
研究人员承认，新阳极远未优化，还有许多未知数有待解决。 “我们当然正在寻求其他实验室的合作，以进一步扩大这项工作的实用性，”王说。

他们在 科学/ACS Cent 中详细介绍了他们的研究。

PMG000022 Lithium-ion batteries recharge in the cold – Physics World

吸收它：新的聚合物凝胶可以从相对干燥的空气中收集水分。 （来源：德克萨斯大学奥斯汀分校）

2022年6月20日 集水凝胶在低湿度下工作

美国的研究人员设计了一种可持续的聚合物凝胶，即使在低湿度条件下也可以从周围空气中收集大量水分。这种低成本材料由德克萨斯大学奥斯汀分校的郭友红及其同事创造，将吸水植物纤维与纤维素结合在一起，加热时会排出水分。
世界上许多地方都经历了一定程度的水资源短缺，预计随着全球变暖的加剧，这一问题将日益严重。直接从大气中提取水分可以为数百万人提供获得清洁水的重要途径。研究人员已经开发了多种不同的多孔材料，可以根据需要捕获和释放水分——但这些材料通常需要潮湿的条件。在旱地地区，现在拥有世界三分之一以上的人口，现有技术面临低吸水率和高能源需求的问题。
为了应对这一挑战，郭的团队开发了一种新的聚合物材料，其中包含魔芋胶 (KGM)（一种广泛用于亚洲美食的植物纤维）和羟丙基纤维素 (HPC) 的混合物。这种聚合物基质还含有均匀分散的氯化锂溶液——一种保湿盐。

表面积大
在材料中，亲水性 KGM 具有分级多孔结构。这提供了大的集水表面积，同时还允许水蒸气快速通过结构。加热时，HPC 会发生相变，其之前的直聚合物纤维会收缩成无定形的扭曲形状。在此过程中，KGM 纤维中的任何水分都会迅速释放出来。
Guo 及其同事表明，在干旱条件下 14-24 个水的吸收和释放周期中，在 15% 的相对湿度下，1 kg 的凝胶每天可以产生超过 6 l 的水。在 30% 的相对湿度下，每天最多可以生产 13 升。

阅读更多 男孩享用干净饮用水的照片

太阳能收割机可以为 10 亿人生产清洁水
研究人员还表明，这种聚合物可以通过用户友好的铸造方法轻松生产，其中将包含所有三种成分的凝胶前体混合并倒入模具中。 2分钟后，将混合物冷冻干燥并从模具中剥离，即可立即使用。
最重要的是，该材料的三种成分很丰富，并且可以可持续地采购。总而言之，这些成分的成本仅为每公斤 2 美元。郭的团队希望低成本和生产简单意味着凝胶可以商业化生产。他们预测，通过制造更厚的薄膜并将吸收床引入凝胶中，可以很容易地收集到更多的水。
该研究在《自然通讯》中有所描述。

PMG000021 Water harvesting gel works at low humidity levels – Physics World

电子的有效质量可以从 ARPES 测量数据（图像、细节）最大值附近的曲率得出。 （鸣谢：HZB）

2022年6月8日

电荷传输之谜在有前途的太阳能电池材料中加深

由于新的测量方法，钙钛矿材料为何能制造出如此出色的太阳能电池的长期解释受到质疑。此前，物理学家将卤化铅钙钛矿的良好光电特性归因于材料晶格内称为极化子的准粒子的行为。然而，现在德国 BESSY II 同步加速器的详细实验表明，不存在大的极化子。这项工作揭示了钙钛矿如何针对实际应用进行优化，包括发光二极管、半导体激光器和辐射探测器以及太阳能电池。
卤化铅钙钛矿属于具有 ABX3 结构的结晶材料家族，其中 A 是铯、甲基铵 (MA) 或甲脒 (FA)； B是铅或锡； X是氯、溴或碘。它们是薄膜太阳能电池和其他光电设备的有希望的候选者，因为它们的可调谐带隙使它们能够吸收太阳光谱中广泛波长范围内的光。电荷载流子（电子和空穴）也通过它们长距离扩散。这些优异的特性使钙钛矿太阳能电池的功率转换效率超过 18%，使其与硅、砷化镓和碲化镉等已建立的太阳能电池材料不相上下。
然而，研究人员仍然不确定为什么电荷载流子在钙钛矿中传播得如此之好，特别是因为钙钛矿比已建立的太阳能电池材料含有更多的缺陷。一种假设是极化子——由被离子声子云或晶格振动包围的电子组成的复合粒子——充当屏幕，防止电荷载流子与缺陷相互作用。

测量电子的动能
在最新的工作中，由柏林亥姆霍兹中心的固态物理学家 Oliver Rader 领导的团队使用称为角分辨光电子能谱 (ARPES) 的技术测试了这一假设。该技术通过其电子的动能 E=1/2 mv2 产生有关材料电子能带结构的信息，其中 m 是电子的质量，v 是它的速度。用电子动量 p=mv 来写，这个关系对应于可以在实验中直接测量的抛物线 E=(p2)/(2m)。
如果在电荷传输过程中确实存在极化子，由于与极化子的相互作用，电子应该移动得更慢——因此它们的有效质量应该更高。电子的有效质量越大，抛物线的曲率越小。然而，团队成员 Maryam Sajedi 对结晶 CsPbBr3 样品进行的测量未能确定抛物线曲率的预期减小。 Rader 说，这是一个惊喜，因为理论预测相关的卤化铅钙钛矿的有效质量提高了 28%，而一项竞争实验从 ARPES 数据中得出了 50% 的提高。

Rader 将这种差异归因于多种因素。他说，原则上，有效质量很容易测量，但有一个重要的警告。 “我们测量结合能与动量的抛物线（动量直接来自‘角度分辨光电发射’中的‘角度’），”他解释道。 “然而，在三维立体中，这条抛物线是三维抛物面的切割，如果我们不在它的顶点切割它，我们可能会得到错误的——通常是更高的——有效质量。”
Rader 继续解释说，在 ARPES 中，x 和 y 方向的动量与电子发射角有关，但 z 方向的动量取决于用于激发电子的光子的能量。在 BESSY II 的案例中，这种光子能量来自光谱真空紫外区波长的同步辐射。因此，实验工作的主要部分是找到正确的光子能量来确定有效质量，他说。

阅读更多 寻找廉价且稳定的太阳能电池的新解决方案

进一步的任务是计算没有极化子的预期有效质量。 “我们使用了一种先进的方法，发现以前的计算预测的有效质量太小了，”Rader 说。 “因此，这项先前工作的问题一半在实验方面，一半在理论方面。”

可靠的技术
Rader 指出，由于在两种非钙钛矿化合物 TiO2 和 SrTiO3 中存在极化子，ARPES 之前已经检测到有效电子质量的增强。因此，对于这种类型的测量来说，这是一种可靠的技术，他说。 “我们的结论是，我们的实验方法表明没有迹象表明大极化子会形成，”他说。 “这一结果应该会导致重新评估那些预测极化子的存在和对卤化铅钙钛矿特性的重要作用的理论，最重要的是它们作为太阳能电池材料的高效率。”
作为后续行动，研究人员表示，他们希望对晶体 CsPbBr3 样品进行类似的测量，同时对其进行照射，但他们预计这在实验上将是“具有挑战性的”。他们在《物理评论快报》中报告了他们目前的研究。

PMG000020 Charge-transport mystery deepens in promising solar-cell materials – Physics World

安装在散热器上的热光伏 (TPV) 电池，旨在测量 TPV 电池效率。 在这里，将电池暴露在发射器中，同时测量通过设备的电功率和热流。 在这项工作中，研究人员展示了高达 41% 的创纪录高效率。 （鸣谢：LaPotin）

2022年5月21日 热光伏电池效率高达 40%

麻省理工学院 (MIT) 的研究人员制造了第一批效率超过 40% 的热光伏电池——比任何现有的固态热机都高，甚至超过涡轮发电的平均效率。和美国国家可再生能源实验室 (NREL)。这些电池是由 III-V 半导体材料制成的双结器件，电子带隙在 1.0 到 1.4 eV 之间，使用背面反射器将不可用的子带隙辐射转移回源，并针对温度为1900–2400°C。据他们的开发人员称，这些电池可以集成到可再生能源系统中，用于低成本的热网存储。
热光伏 (TPV) 设备使用光伏电池将热物体（600°C 或更高）发出的主要红外光转换为电能。它们可以在比涡轮机使用的更高温度的热源下运行，并且它们可能的热源范围非常广泛，包括燃烧、核反应、废热、储存在热能储存系统中的热量以及通过中间辐射吸收器的太阳辐射.原则上，所有这些来源都比直接从阳光中产生的风能或太阳能更可靠，这两种能源都是间歇性的。

新效率41.1%
第一个 TPV 由集成的背面反射器和 2000° 发射的钨源制成。这些设备的效率仅为 29%，尽管随后取得了进步，但 TPV 一直在努力超过 32% 的大关，并在低于 1300°C 的温度下运行。然而，TPV 的理论预测它们的效率可以超过 50%，因此研究人员怀疑还有改进的空间。
由麻省理工学院机械工程系的 Asegun Henry 和 Alina LaPotin 领导的团队开发的新型 TPV 电池具有 41.1% 的最大效率，使用 2400 的热源以 2.39 W/cm2 的功率密度运行摄氏度。这些设备是由国家可再生能源实验室 (NREL) 的研究人员使用一种称为有机金属气相外延的技术制造的。
该团队的两种电池设计中的第一种使用由 AlGaInAs 和在 GaAs 基板上生长的 GaInAs 制成的顶部和底部结。在该设计中，AlGaInAs 的带隙为 1.2 eV，GaInAs 的带隙为 1.0 eV，它们的晶格与衬底的晶体晶格常数不匹配。第二种设计结合了晶格匹配的 1.4 eV GaAs 顶部电池和晶格不匹配的 1.2 eV GaInAs 底部电池。
LaPotin 告诉物理世界，细胞的高效率来自多种因素。 “首先是使用多结电池，通过减少所谓的热化损失，我们可以更有效地转换入射光谱的不同能带，”她解释说。 “第二个是使用带隙高于通常用于 TPV 的材料，以及更高的热源温度。”
“通常，TPV 的目标带隙约为 0.7 eV，源温度低于 1300°C，”LaPontin 继续说道。 “由于产生的电压几乎是恒定的‘惩罚’，因此转向更高的带隙（1.0 到 1.4 eV）会带来优势。事实上，当你转向更高的带隙时，你会得到更高的电压，而代价会变成总电压的一小部分，从而导致更高的整体效率。”
LaPontin 说，促成该设备高效率的其他因素包括使用高反射率背面反射器将子带隙辐射发送回热源，以及 NREL 开发的高质量制造技术。

需要更多资金
亨利说，该团队的设备代表了 TPV 的效率首次达到 40%，并且首次证明任何固态热机的效率高于美国涡轮发电的平均效率。他说，与普通涡轮机进行比较是关键，因为涡轮机目前由于其低成本和效率而几乎垄断了大规模发电生产。 “这是历史上第一次有另一种技术显示出类似的效率、更低的成本和可扩展性，因此它可以与基于涡轮的热机竞争，”他说。
在 Henry 看来，TPV 技术更值得科学和工程界关注，“确实值得获得资金”用于研发。他指出，通过涉及超临界二氧化碳流的替代方法产生能源的研究已获得美国政府约 1 亿美元的资助。

阅读更多 太阳能电池在日落后继续运行

就他们而言，麻省理工学院的研究人员已经转向开发与他们的 TPV 技术兼容的热电池，亨利说这可能是“缓解气候变化解决方案的重要组成部分”。 “热电池是一种成本极低的电网规模储能技术，可以使可再生能源全面渗透到电网中，”他解释道。 “我们在工作中展示的电池的主要应用是用于这些类型的电池。”
TPV 的另一个选择是将它们与氢燃料技术相结合。 “在这种情况下，TPV 相对于涡轮机的一些优势包括成本更低、响应时间更快、维护成本低、燃料灵活性以及在较小的发电规模（大约 10 兆瓦）下具有成本效益的能力，”亨利说。
该团队现在计划在热电池原型系统和试点演示中测试其电池。他们还希望通过将它们反射的不可用辐射的比例提高到 97-98%，进一步将电池的效率提高到 50%。
目前的工作在 Nature 中有详细介绍。

PMG000019 Thermophotovoltaic cells top 40 percent efficiency – Physics World

能量循环：示意图显示了电池如何冷冻和解冻以储存过剩的能量供应并在需求高时使用它。 （鸣谢：细胞报告物理科学/CC BY 4.0）

2022年4月27日

冻融电池可以帮助储存太阳能和风能

美国太平洋西北国家实验室的 Minyuan Li 及其同事开发了一种可将其储存的化学能“冻结”数月的电池。他们的电池使用熔盐电解质，在室温下保持固态，加热时融化。
我们利用风能和太阳能发电的能力正在突飞猛进地增长，但我们储存这种能量的能力却没有跟上步伐。这是一个问题，因为风能和太阳能发电的季节性趋势往往与消费者的能源需求不一致。例如，在较高纬度地区，夏季可以收集到丰富的太阳能，此时对供暖和照明的需求较低。相反，在能源需求可能很高的冬季，太阳能可能会变得稀缺。
这个问题可以通过将能量储存几个月并在需求开始超过供应时释放来解决。虽然锂离子电池可以完成这项工作（在第一个月损失多达 5% 的能量），但对其制造中使用的材料存在供应和地缘政治问题。其他电池类型有不同的挑战需要克服。

不便
为了开发更好的存储技术，Li 及其同事探索了使用熔盐作为电池电解质。当他们的铝镍盐被加热到 180 °C 时，它的离子可以在浸入液体的电极之间自由流动。但是当冷却到室温时，盐会冻结成固体。这大大降低了离子的流动性——它锁定了电池的化学能。在无限期之后，盐可以被加热和解冻，从而使电池放电。
为了确保他们的电池可以成为一个实用的存储系统，李的团队的一个关键问题是尽可能使用低成本、广泛可用的材料。这涉及为其电池的惰性多孔隔膜选择合适的材料——该隔膜将阳极和阴极分开，同时允许离子通过。到目前为止，隔膜通常由陶瓷制成，但这些材料价格昂贵，并且在电池的冻融循环过程中很容易损坏。

阅读更多 桨轮状分子推动钠离子通过下一代电池

作为替代方案，研究人员使用多孔玻璃纤维作为隔板，它在广泛变化的温度下表现得更好。此外，他们在电解液中掺杂了硫——另一种容易获得的材料。这种添加既进一步提高了电池的能量保持能力，又激活了它的镍阴极。
到目前为止，李的团队已经开发了一个小型电池原型，大约有一个冰球那么大。在长达八周的储存期后，该设备在一次冻融循环后保留了超过 90% 的储存能量。在未来，研究人员希望他们设计的低成本和简单性将使他们能够扩大其尺寸和容量。如果实现，这可以让电网储存能量并消除供需之间的差异。
电池在 Cell Reports Physical Sciences 中有所描述。

PMG000017 Freeze–thaw battery could help store solar and wind energy – Physics World

工作原理：HUD 纳米纹理硅膜表面（左）显着提高了光吸收，如右图所示。 （鸣谢：CC BY 4.O/Tavakoli 等人。）

2022年4月25日

蜂窝状纳米图案提高超薄太阳能电池板的效率

虽然太阳能发电场提供清洁和可靠的能源生产，但它们占用空间并且在城市中心和外太空仍然不可行。在不久的将来，另一种太阳能解决方案是微米级光伏。这些设备将硅的低成本制造与薄膜的低重量和灵活性相结合。
在 Marian Florescu 和 Esther Alarcon-Llado 的带领下，萨里大学、伦敦帝国理工学院和 AMOLF 纳米光子学中心的研究人员合作解决了现有薄膜太阳能电池板的不足。他们在 ACS Photonics 上新发表的论文描述了他们设计和测试的光伏器件的特性。

通过光捕获的吸光度
越来越薄的太阳能电池的主要问题是厚度越薄，光吸收效率就越低——大部分光要么从表面反射，要么完全通过。 “近三分之一的光直接从 [材料] 反射而没有被吸收并利用能量，”弗洛雷斯库说，并补充说，“硅板上的纹理层有助于解决这个问题。”
通过对硅表面进行纹理处理，入射的太阳光反而被衍射到硅薄膜的平面中，从而将光“捕获”在材料中。规则有序的图案不足以完成这项任务，因为它们只会衍射特定波长和入射角的太阳光。或者，无序图案可以将宽范围的波长散射到薄膜中，但不是特别有效。
相反，该团队采用了一种特殊的表面设计，称为超均匀无序 (HUD) 图案。 HUD 介质限制了随机性，这导致它们表现得像有序固体而不是无定形材料。因此，它们在工程光散射和衍射中特别有用。

测试模式：测试这三种超均匀无序纹理以提高薄膜太阳能膜的吸收率。 （来源：CC BY 4.O/Tavakoli 等人）

研究人员将 HUD 图案蚀刻到 1 微米厚的硅薄膜的顶部 200 纳米（见上图）。然后他们用旋涂聚合物抗蚀剂覆盖薄膜，通过使其折射率更接近空气的折射率来降低其反射率。通过这种技术组合，该团队记录了 66.5% 的太阳能吸收率——与纯薄膜 25.5% 的吸收率相比，这是惊人的增长。这种改进导致吸收等效光电流为 26.3 mA/cm2，高于类似厚度电池 19.72 mA/cm2 的第二好的报告结果。

哪种HUD模式？
该团队测试了多种 HUD 图案设计，包括 HUD 网络、HUD 孔和旋节线图案（上图从左到右）。每种设计都大大提高了未蚀刻原生薄膜的效率和光吸收，旋节线图案在效率上略微优于其他设计。然而，旋节线纹理的大规模实施需要进一步的技术发展以提高其非周期性结构的图案分辨率。另一方面，HUD 孔和网络模式在许多物理系统中自然出现，表明它们的制造更简单、可扩展性更高。该团队估计，使用类似的图案，研究人员将能够为 1 微米厚的晶体硅电池实现 20% 以上的光伏效率。

阅读更多 工程无序使超薄太阳能电池超高效

Alarcon-Llado 补充说，“与厚的对应物相比，更薄的硅吸收器更能容忍电子缺陷。这意味着高效的薄硅电池也可以由低品位的硅制成，从而减少原料硅纯化的能源需求并缩短其能源回收时间。”将这些品质与团队的纹理化突破相结合，为更重、更刚性的体硅电池不可行的未来应用提供了希望，包括在建筑物、汽车和外太空。

PMG000016 Honeycomb-like nanopatterning boosts efficiency of ultrathin solar panels – Physics World

KAUST 科学家开发了一种薄膜，可以保护钙钛矿太阳能电池免受高温和潮湿等不利条件的影响，从而提高其长期稳定性。 （鸣谢：© 2022 KAUST）

2022年4月11日 钙钛矿太阳能电池经受住湿热

一种结合了钙钛矿晶体的三维和二维形式的太阳能电池即使在暴露于高温和高湿条件下也能保持其效率——这是由这种有前途但众所周知的不稳定光伏材料制成的设备的首创。该设备由沙特阿拉伯的研究人员开发，在 85°C 的温度和 85% 的相对湿度下持续 1000 小时后仍保持 95% 的初始效率，从而满足光伏模块的关键工业稳定性标准。
钙钛矿是具有 ABX3 结构的结晶材料，其中 A 是铯、甲基铵 (MA) 或甲脒 (FA)； B是铅或锡； X是氯、溴或碘。它们是薄膜太阳能电池的有希望的候选者，因为它们的可调节带隙可以吸收广泛的太阳光谱波长范围内的光。电荷载流子（电子和空穴）也可以通过它们快速和长距离扩散。这些特性使钙钛矿太阳能电池的功率转换效率 (PCE) 超过 18%，使其性能与硅、砷化镓和碲化镉等已建立的太阳能电池材料相当。
问题在于钙钛矿具有天然存在的表面缺陷，并且容易发生称为离子迁移的结构变化。这两个因素都会使钙钛矿薄膜变得不稳定，并且随着温度升高和暴露于水分子中，这些不稳定性变得更加明显。

更耐热和耐湿
在这项新工作中，由阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST) 的 Stefaan De Wolf 领导的一组研究人员通过将光敏 3D 钙钛矿夹在中间来制造半导体异质结，该钙钛矿通过在两个二维钙钛矿层（一个 n 型和一个 p 型）。然后电子和空穴分离，电子向 n 型 2D 钙钛矿层迁移，空穴向 p 型层迁移，从而产生电流。
由于 2D 钙钛矿比 3D 钙钛矿更耐热和耐湿，因此在后者的薄膜上生长一层前者会产生异质结，该异质结可以阻挡迁移的离子和水分。由于 2D 层基本上形成了 3D 薄膜的钝化“顶层涂层”，KAUST 团队的太阳能电池拥有 24.7% 的功率转换率和约 1.20 eV 的开路电压。

阅读更多 寻找廉价且稳定的太阳能电池的新解决方案

研究人员还发现，调整 2D 片材的数量（或它们的尺寸）对于有效的面漆钝化很重要。该技术之前已被用于提高传统太阳能电池的性能和稳定性，其中 p 型层位于顶部。然而，到目前为止，它还不适用于 n 型层位于顶部的倒置器件。
该团队在《科学》杂志上报告了其工作，并表示其成员现在正在为二维钙钛矿设计新分子，以开发超稳定的倒置钙钛矿电池，其效率接近于常规设备的效率，可超过 25%。 “我们还将执行其他 IEC [工业标准] 稳定性测试，包括反向电压偏置的影响和户外测试设备，以了解并解决限制稳定性的因素，”De Wolf 告诉物理世界。 “我们还旨在将开发的 2D/3D 异质结集成到其他基于钙钛矿的太阳能电池中，例如‘串联器件’。”

PMG000015 Perovskite solar cell survives the damp and heat – Physics World

插图显示了固体电解质 Na3PS4 的原子结构，在 PS43- 聚阴离子（橙色）之间具有 Na+ 离子（紫色）通道。 黑色箭头表示行进的钠离子与主体结构的基团振动的耦合运动，涉及类似于桨轮的四面体聚阴离子的扭曲。 （鸣谢：Olivier Delaire，杜克大学）

2022年3月16日

桨轮状分子推动钠离子通过下一代电池

像桨轮一样的分子可以帮助推动钠离子通过固态电解质。美国杜克大学研究人员的这一发现可能有助于开发具有广泛应用的下一代电池，包括数据存储中心、薄型智能手机和轻型电动汽车。
锂离子电池是当今便携式电子产品和电动汽车的首选能源。然而，它们所含的易燃且有毒的有机电解质令人担忧。与其他一些更常见的金属相比，锂也是稀有且昂贵的，全球供应受到各种不确定性的影响。
钠的能量密度低于锂，但由于其相对丰富且成本较低，它仍然是电池应用的有希望的替代品。困难在于，只有少数材料能够很好地传导钠离子以制造良好的电解质。因此，研究人员热衷于确定离子快速扩散的新固体电解质，了解造成这种扩散的机制是该过程中的关键步骤。

强非谐声子模式
在 Olivier Delaire 的带领下，杜克大学的研究人员在橡树岭国家实验室使用中子散射实验来研究一种可能的电解质，即硫代磷酸钠 (Na3PS4)。众所周知，这种材料的晶体结构可以为钠离子创造一维隧道，但新工作表明，构成隧道的金字塔形磷硫 PS4 单元也会扭曲和转动。这种运动会产生强烈的非谐波声子模式，其作用类似于桨轮，通过允许钠离子沿着最小能量路径“跳跃”来帮助钠离子穿过材料。

阅读更多 三明治策略让固态锂电池寿命更长

虽然这一过程已被理论预测，但 Delaire 及其同事的结果表明，它比以前想象的要复杂得多——他们在国家能源研究科学计算中心使用从头算分子动力学和扩展分子动力学计算证实了这一点。在他们的计算中，杜克团队使用机器学习算法来分析原子振动和移动的势能面。
研究人员说，他们在能源与环境科学中描述的结果提供了对原子振动如何促进钠离子通过材料扩散的微观理解。他们现在正在研究一种略有不同的材料，其中含有锑而不是磷。

PMG000014 Paddlewheel-like molecules push sodium ions through next-generation battery – Physics World

薄膜技术：ICFO 研究员王永杰与 Gerasimos Konstantatos 手持新型太阳能电池。鸣谢：ICFO

2022年2月25日 工程无序使超薄太阳能电池超高效

由于一种新的制造方法在电池的纳米晶体结构中引入了特定类型的无序，超薄太阳能电池的效率达到了创纪录的水平。这种类型的电池成本低、重量轻且无毒，使其成为集成到汽车、屋顶或移动设备中的理想选择，而新的流线型制造方式为其大规模生产铺平了道路。
传统的硅基太阳能电池在利用阳光发电方面效率很高。然而，制造它们是一个昂贵且耗能的过程，并且由此产生的设备又重又笨重。薄膜太阳能电池在某些方面是一种有吸引力的替代品，但它们通常含有有毒元素（如铅或镉）或稀缺且昂贵的元素（如铟或碲）。在 2010 年代中期，当西班牙光子科学研究所 (ICFO) 的研究人员开发出一种基于 AgBiS2 纳米晶体的低成本、无毒电池时，出现了另一种选择。这些纳米晶体可以通过逐层沉积工艺制成厚度仅为 35 nm 的太阳能电池，但其效率约为 6%，而硅的效率为 25% 或更高，因此该材料还没有商业竞争力。

阳离子无序工程
为了提高基于 AgBiS2 的细胞的光吸收率，ICFO 的研究人员与英国大学学院和帝国理工学院的合作者一起研究了无序正离子（阳离子）对材料光电特性的影响。在发现由于纳米晶体内形成的富含银或铋的区域导致的不均匀性的证据后，他们使用密度泛函理论 (DFT) 计算来确定这些不均匀性的影响。基于这些计算，他们得出的结论有点违反直觉，在晶格中仔细放置缺陷——他们称之为“阳离子无序工程”的技术——会导致更均匀的阳离子分布，因为它促进了离子迁移。然后，他们使用一种称为低温退火的工艺来生产具有特定特性的 AgBiS2 样品。
当研究人员将由优化材料制成的电池置于人造阳光下时，他们记录了超过 9% 的功率转换效率——这是此类超薄太阳能电池的记录。他们还看到了从紫外（400 nm）到红外（1000 nm）的宽光谱范围内的吸光度。他们的设备是在玻璃/氧化铟锡上制造并涂有聚三芳基胺溶液，厚度不超过 100 nm，比目前的薄膜光伏 (PV) 技术薄 10-50 倍比硅 PV 薄 1000 倍。

在光明的道路上
ICFO 物理学家 Gerasimos Konstantatos 领导了这项研究，并在 Nature Photonics 上共同撰写了一篇描述它的论文，他说，该团队的工作首次证明了改变材料的原子排序如何影响其光电特性。这种类型的材料工程也可能在催化等其他领域证明是有用的，Konstantatos 指出，该团队的方法为光伏行业打勾，包括低成本、可扩展性和无毒元素的使用。

阅读更多 超薄柔性太阳能电池效率提升

未参与 ICFO 研究的德国亚琛工业大学研究员 Alwin Daus 表示，了解阳离子分离如何发展以及如何控制它对于低成本薄膜太阳能技术可能很重要。他补充说，该团队的制造过程似乎是扩大规模的理想选择。然而，Daus 认为使用直径约 6 nm 的纳米晶体可能会成为进一步提高效率的障碍，因为此类材料中电荷载流子的扩散长度仅为 25 nm 左右。尽管如此，他强调这项研究很重要，因为太阳能社区对稳定和环保的无机太阳能电池化合物的需求很高。
康斯坦塔托斯说，该团队现在计划提高电池的开路电压 (Voc)，目前为 0.5V。 “Voc 是衡量可以从太阳能电池中汲取多少电压的指标，并且与半导体的带隙有关。人们应该期望实现高达 0.7V - 0.8V 的电压，”他告诉物理世界。

PMG000013 Engineered disorder makes ultrathin solar cells ultra-efficient – Physics World

杨全红。 （图片提供：天津大学化工学院）

2022年2月13日 工业盐使锌电池更安全、更可持续

基于锌的电池是其广泛使用的锂离子电池的有希望的替代品，但它们存在相同的缺点之一：称为枝晶的针状结构在电极表面形成并生长到电解质中，最终导致电池短路甚至点燃。由中国天津大学的 Quan-Hong Yang 领导的研究人员现已开发出一种由广泛使用的工业盐和乙二醇溶剂制成的有机电解质形式的部分补救措施。这些材料一起形成了保护锌电极免受枝晶生长的保护层。
虽然锂离子电池是当今便携式电子产品和电动汽车的首选电池，但它们所含的易燃和有毒有机电解质令人担忧。相对于其他一些更常见的金属，锂也很昂贵，并且全球供应受到各种不确定性的影响。通常由水性电解质形成的锌电池是一种有吸引力的替代品，因为锌比锂更便宜、毒性更小、更容易回收和更广泛地使用。它们还具有高能量密度、高比容量（820 mAh/g 和 5,855 mAh/cm3）和良好的氧化还原电位（-0.76V 与标准氢电极相比）锌阳极。
然而，实施锌技术并非一帆风顺，还有一些主要的技术障碍需要克服。其中之一是前述的枝晶生长。另一个是材料容易发生副反应，例如析氢和遇水腐蚀。这些副反应通过不断消耗电解质和锌阳极分别危害电池的循环稳定性并缩短其寿命。
这些问题的根本原因是金属锌阳极和含水电解质之间的相互作用。避免它们的一种方法是使用不含任何水的电解质。这种电解质价格昂贵，不能很好地传导离子，甚至可能是危险的。因此，研究人员正在寻找替代策略来保护锌阳极免受水的影响。

新的压制策略
Yang 及其同事使用的盐，四氟硼酸锌水合物 (Zn(BF4)2)，很少用于电池。然而，它确实在电镀和纺织品制造中具有突出的应用，在这些领域它起到阻燃剂的作用。通过将这种盐与乙二醇 (EG) 偶联 - 一种比传统 ZnSO4 电解质更便宜的材料 - 研究人员能够促进形成保护性 ZnF2 钝化层，从而抑制副反应并抑制锌的生长树突。

阅读更多 超越锂离子电池

生成的含水 Zn(BF4)2/EG 电解质不易燃，可在 -30°C 至 40°C 的宽温度范围内工作。该电极可在 0.5 mA/cm2 的电流密度下循环超过 4000 小时，库仑效率高达 99.4%。杨说，基于这些数据，新电解质显示出开发安全、高性能和可持续的锌电池的巨大潜力。 “我们现在计划改进我们的设备，并探索更多的电解质配方，以促进这种电池的快速实际使用，”他告诉物理世界。
Nature Sustainability 报道了新电极的全部细节。

PMG000012 Industrial salt makes a safer and more sustainable zinc battery – Physics World

新设备由沉积在氧化锶钛（STO，灰色）上的层状材料（二硒化钨，绿色）薄膜组成。 用氩离子轰击处理 STO 会产生表面缺陷，从而产生准二维电子气。 因此，这种材料主要充当电子载体（它是 n 型导体），而二硒化钨薄膜主要是空穴传导（p 型导体）。 因此，界面区域是 p-n 异质结，这是太阳能电池中的常见结构。 移动电荷载流子在二硒化钨薄膜中被蓝色激光激发，并可能在界面附近的区域中被捕获和储存很长时间，直到被足够大的施加电压移出。 （鸣谢：Y江等人。）

2022年1月20日

混合设备既充当太阳能电池又充当电池

中国和新加坡的研究人员已经开发出一种光电系统，可以将光转化为电荷，然后像电池一样存储电荷——这在单个设备中尚属首次。这种新器件由二维半导体层和通过弱范德华相互作用结合在一起的透明导体制成，可将 93.8% 的入射光子转换为电流——远高于所谓的“高性能”光电器件的 50% 典型值– 并且可以存储长达一周的电荷，使其适用于能源生产、光电探测器或基于光的存储器的应用。
像这里使用的范德华 (vdW) 异质结是光伏电池和光电探测器等设备的常见特征。通常由 p-n 结制成，它们通过吸收光子来工作，然后产生电子-空穴对。下一步是将电子从空穴中分离出来，这通常是通过施加电压来完成的。问题是这些电荷载流子会迅速复合，缩短它们的寿命，因此限制了器件的外部量子效率 (EQE)。

暂时困住携带者
克服这种影响的一种方法是在重组发生之前暂时捕获载流子（例如在晶体缺陷处）。由中国苏州科技大学的 Yucheng Jiang 和新加坡国立大学的 Cheng-Wei Qiu 领导的一组研究人员决定在由硒化钨 (WSe2) 和钛锶制成的 vdW pn 异质结中使用这一策略氧化物，或俗称的 STO。
研究小组发现，当他们用蓝色激光激发他们的设备，然后将其储存在 30 K 的黑暗中时，光生电荷载流子会持续长达 7 天。他们还发现，当他们将设备连接到电路时，他们可以提取高达 2.9 mA 的电流。研究人员将这种意想不到的效果归因于一种特殊处理，该处理在 STO 表面产生了近乎二维的“电子气体”，其中电子可以自由独立地移动。

“可充电光电导”
研究人员将这种新效应称为“可充电光电导”，他们说这与之前观察到的光电现象完全不同。他们制造的设备不仅在光学照明下产生光载流子，而且还将它们存储在 WSe2 薄膜的所谓“空间电荷”区域中，该区域与 STO 晶体的界面并列。他们解释说，在这里，光诱导的空穴可以积累并保留，直到足够大的施加电压将它们吸引到电路中。在此过程中，电子-空穴对重新结合，器件返回绝缘状态。然后可以通过对它发光

来重新充电。

阅读更多 光电效应需要多长时间？

尽管该设备的 EQE 远高于其他高性能光电设备，但江及其同事指出，它仅在 30 K 左右的温度下才能达到这种效率，这是保持存储电荷稳定所必需的。这种低工作温度将限制设备的应用，尽管研究人员认为使用 WSe2 和 STO 以外的材料可能会提高工作温度。

研究人员在《物理评论快报》中报告了他们的工作。

PMG000010 Hybrid device acts as both solar cell and battery – Physics World

通过气淬辅助刮刀涂覆具有不同 MACl 或 CsCl 摩尔比的前驱体溶液制备的退火 FAPbI3 钙钛矿薄膜的俯视 SEM 图像。 (a) 对照，(b) 10% mol MACl，(c) 20% mol MACl，(d) 30% mol MACl，(e) 40% mol MACl，(f) 5% mol CsCl，(g) 10% mol CsCl，(h) 15 mol%。 氯化铯 比例尺为 1 μm。 鸣谢：中国物理B

2021年12月10日

处理调整使太阳能电池“墨水”更稳定

中国的研究人员通过改变用于加工制造它们的前体的化学物质，使卤化铅钙钛矿太阳能电池更加稳定。这种转换可以使这种类型的太阳能电池更容易商业化，因为它使材料不太可能形成降低电池将阳光转化为电能的能力的相。
卤化物钙钛矿是具有ABX3结构的晶体材料，其中A是铯、甲基铵（MA）或甲脒（FA）； B是铅或锡； X是氯、溴或碘。它们是薄膜太阳能电池的有希望的候选者，因为它们易于制造，并且由于其带隙可调，可以在很宽的太阳光谱波长范围内吸收光。电荷载流子（电子和空穴）也可以快速长距离扩散通过它们。这些优异的特性使研究人员能够制造出功率转换效率 (PCE) 超过 25% 的钙钛矿太阳能电池，并将它们与已建立的太阳能电池材料（如硅、砷化镓和碲化镉）放在一起。
如果这一切听起来好得令人难以置信，那是因为它确实如此。不幸的是，钙钛矿太阳能电池在室温和环境湿度下也不稳定。这显然是太阳能电池板的一个缺点，它需要暴露在天气中才能将阳光转化为电能。

PCE 高达 25.5%
在这项新工作中，由中国国家科学基金会李耀文领导的团队重点研究了钙钛矿甲脒三化铅（FAPbI3）。这种材料是用于制造高性能太阳能电池的最佳钙钛矿候选材料之一，因为其相对于其化学表亲甲基三碘化铅 (MAPbI3) 的小带隙使其热稳定性更高，并且能够在更宽的波长范围内吸收太阳光。 2019 年，研究人员用 FAPbI3 制造了 PCE 为 23.7% 的太阳能电池。最近，这个经过认证的 PCE 值增加了 25.5%。
高质量的 FAPbI3 薄膜通常由含有甲基氯化铵 (MACl) 添加剂的前体溶液或墨水制成。问题是这种添加剂会分解成甲胺，形成不需要的相，例如 δ-FAPbI3，会破坏 FAPbI3 的光伏性能。
Li 及其同事意识到他们可以通过用氯化铯 (CsCl) 代替 MACl 来解决这个问题，因为这种添加剂不会形成不需要的相。为了验证他们的假设，研究人员比较了含有 MACl 或 CsCl 前体的 FAPbI3 溶液的稳定性。他们发现每种添加剂都能很好地制造高质量的 FAPbI3 薄膜，从而产生高效的碳电极钙钛矿太阳能电池。然而，含有 MACl 的溶液不稳定并在一周内降解，因为它会分解成甲胺。相比之下，含有 CsCl 的溶液在一个多月内保持稳定。

阅读更多 串联太阳能电池的效率接近 30%

“我们的工作表明，非常需要开发非 MACl FAPbI3 钙钛矿前驱体解决方案，以经济高效地制备钙钛矿太阳能电池，”李说。 “这些将有助于使钙钛矿太阳能电池更接近商业化。”
研究人员在中国物理 B 上报告了他们的工作，他们告诉物理世界，他们现在计划基于耐用的钙钛矿墨水打印稳定且高效的大面积钙钛矿太阳能电池组件。

PMG000009 Processing tweak makes solar cell 'ink' more stable – Physics World

一种源自木材的材料可能会取代下一代电池中的液体电解质。 （提供：胡实验室/马里兰大学）

2021年12月8日 木质导体可以使锂离子电池更安全

一种新的木质材料，其离子传导能力比其他聚合物好 10-100 倍，可用于下一代固态锂离子电池。这种材料由布朗大学和美国马里兰大学的研究人员制造，结合了铜和纤维素纳米纤丝，可用作固体电池电解质或用作全固态电池阴极的离子导电粘合剂。 -状态电池。
锂离子电池广泛应用于从手机到电动汽车的各种应用中。这些设备具有高容量和高能量密度，这意味着它们可以非常快速地存储大量电荷。在充电过程中，锂离子通过电解质从阴极移动到阳极，电解质通常由溶解在液体有机溶剂中的锂盐制成。虽然这种类型的电解液效果很好，但在高电流下，称为枝晶的针状锂金属结构会在阳极表面形成并流入电解液。这些不需要的结构最终会刺破分隔阳极和阴极的屏障，导致电池短路，甚至在某些情况下会起火。

聚合物离子导体
为了克服这个问题，研究人员正在寻求用一种更难让枝晶生长的固态电解质代替这些设备中的液体电解质。迄今为止研究的大多数固体电解质材料都是基于陶瓷的，陶瓷是良好的离子导体，但又硬又脆。这使得它们难以集成到电极中，并且在电池反复充放电过程中也容易破裂或断裂。
聚合物离子导体没有这些缺点，但它们也不像陶瓷那样传导离子——或者至少，直到马里兰州材料科学与工程系的胡梁兵和布朗学院的岳琦领导的研究人员才这样做工程部开发了他们的解决方案。
Hu、Qi 及其同事制造的新材料基于含铜的纤维素纳米纤丝，这是一种源自木材的聚合物管。由于铜在聚合物中打开分子通道，这种组合允许通常离子绝缘的纤维素沿着聚合物链的方向快速传输锂离子。根据该团队的模型，这些通道增加了纤维素聚合物链之间的空间，通常存在于紧密堆积的束中。他们说，扩大的间距创造了“离子高速公路”，离子可以相对畅通无阻地通过这些高速公路。

阅读更多 夹心策略让固态锂电池寿命更长

除了具有 1.5 × 10–3 S/cm 的高锂离子电导率（与陶瓷相当的值）外，这种新材料薄且柔韧，可在 0.2 至 4.5 V 的宽电压范围内工作。研究人员表示，他们在 Nature 中详细介绍的方法可以扩展到其他聚合物和金属阳离子。

PMG000008 Wood-based conductors could make Li-ion batteries safer – Physics World

锂提取。 （提供：德克萨斯大学奥斯汀分校）

2021年10月21日 生物系统激发了提取锂的新方法

一种从受污染的水中提取锂的新方法可以使这种具有重要技术意义的金属更容易生产。该技术涉及使盐水通过锂选择性聚合物膜，其工作方式模仿调节生物系统中离子平衡的钾通道。

锂在低碳能源中有多种应用，并广泛应用于电化学技术。例如，锂离子电池由于其质量轻、还原潜力大和能量密度高，在当今的可充电储能市场中占据主导地位。
随着电动汽车变得越来越流行，工业对锂的需求将进一步增加。这带来了挑战，因为尽管锂是地球上丰富的金属，但从自然资源中提取它并不容易。目前，它来自一种称为伟晶岩的矿物沉积物和通过太阳能蒸发的盐卤——这是一个成本高昂且效率低下的过程，可能需要一年多的时间。

冠醚
研究人员此前曾探索过使用聚合物膜从水溶液中提取锂的方法。传统的聚合物膜通常根据离子大小或电荷的差异来分离溶质，但这不足以具体到单独针对锂。大多数此类膜允许钠离子以比锂离子更高的速率渗透。
由德克萨斯大学奥斯汀分校的 Benny Freeman 领导的一个团队现在通过开发一种含有冠醚的新型聚合物膜成功地逆转了这种行为 - 可以结合某些离子的化学功能化配体。这些配体阻碍钠的渗透，但“忽略”锂，这意味着它以比钠更高的速率穿过膜。事实上，该团队的锂传输测量表明，该材料具有前所未有的反向渗透选择性，锂比钠的选择性大约高 2.3 倍——这是有史以来记录的致密、水溶胀聚合物的最高选择性。
“目前，锂是通过使用蒸发池从盐水中提取的，这是一个缓慢而费力的过程，”弗里曼解释说。 “使用像我们这样可以提取锂的膜是有利的，因为它们节能、可扩展并且比蒸发池具有更高的吞吐量。”

溶质特异性选择性
他告诉《物理世界》，通过调整聚合物的相互作用，可以使材料的选择性特定于所需的溶质。 “在生物系统中观察到这种选择性，例如钾通道，这激发了我们材料系统的设计。”

阅读更多 工艺创新有利于电池制造

研究人员表示，除了锂提取外，新膜还可能有助于去除水中的有毒溶质。进一步，该团队计划在分子尺度上研究影响溶质和聚合物膜之间“主客体”相互作用的因素。 “这些研究将包括研究聚合物结构以及确定新的配体，使膜对锂更具选择性，”弗里曼说。

PMG000007 Biological systems inspire new method for extracting lithium – Physics World

各种因素的平衡新的模拟表明，全无机钙钛矿材料（左）在效率方面与其混合对应物相当。 （提供：张谢）

2021年10月20日

模拟预示着对全无机钙钛矿太阳能电池的重新思考

太阳能在减少碳排放方面发挥着重要作用，但从长期处于市场领先地位的硅生产光伏电池是一个能源密集型过程。由钙钛矿制成的电池提供了一种很有前景的替代方案，最近的进展已将其效率提高到 25.5% 以上，略低于硅的记录。现在，美国加州大学圣巴巴拉分校 (UCSB) 的研究人员报告说，甚至更高的效率可能是可能的——但前提是科学家们将他们的努力重新定向到以前不可信的一类仅基于无机元素的钙钛矿。
在钙钛矿研究界，一个根深蒂固的观点是，全无机钙钛矿电池本质上不如包含有机阳离子的电池。 Chris Van de Walle 及其同事的新研究颠覆了这种想法。虽然专家长期以来一直认为引入有机分子会使细胞更有效率，但 UCSB 团队基于超级计算机的最先进量子力学计算表明，情况恰恰相反，事实上，有机分子提供了额外的能量损失的通道。

重组损失
在完美的太阳能电池中，每个入射光子都会产生一个电子和一个空穴，并且由此产生的电子-空穴对永远不会复合，从而允许这些电荷载流子中的所有能量产生电能。然而，在实际电池中，也会发生各种非辐射复合过程，从而降低效率。
在这项新研究中，团队成员（包括首席研究员 Xie Zhang 和帮助编写代码的高级研究生 Mark Turiansky）比较了普通杂化钙钛矿与原型全无机兄弟姐妹的重组率。两种材料都是卤化物钙钛矿，化学式为ABX3，其中A为阳离子； B是铅或锡； X为碘、溴或氯。在这项研究中，该团队将全无机 CsPbI3 与含有甲基铵（一种相对简单的有机分子）、铅和碘的普通钙钛矿进行了比较。
在所有钙钛矿太阳能电池中，非辐射复合的主要中心是碘原子。根据 Van de Walle 及其同事的计算，它们的存在创造了一种在两种类型的设备中都相似的损耗机制。
然而，至关重要的是，UCSB 团队发现，虽然甲基铵的存在使材料在化学上更加稳定，但它也增加了非辐射损失的第二个重要来源。这种损失源于有机分子中氢原子的去除，这可能发生在混合钙钛矿的合成过程中，也可能由入射到电池上的光子或运行时流过设备的电流触发。无论哪种方式，它的去除都与引入非常强大的缺陷辅助重组有关。 “这真的不利于效率，”Van de Walle 说。

计算值
Van de Walle 认为，考虑到仅使用实验方法揭示这些材料中的损耗机制所面临的巨大挑战，像这样的计算见解具有相当大的价值。虽然光激发可以揭示钙钛矿中非辐射复合的存在，但该过程可以通过多个通道进行，这意味着该技术无法查明损失背后的具体缺陷。 “您需要进行电学测量、光学测量和磁共振测量，以了解您所观察到的缺陷状态的量子力学性质，”Van de Walle 解释道。如此全面的研究所需的时间和精力使得混合钙钛矿的潜在劣势长期以来被忽视也就不足为奇了。

阅读更多 托管三元组改善钙钛矿 LED

UCSB 团队的计算引起了加拿大多伦多大学纳米技术专家和太阳能电池专家 Ted Sargent 的兴趣，他并未参与这项研究。 “它们表明，与具有相似带隙的传统电池相比，无机钙钛矿太阳能电池在未来有可能实现更高的效率，”他说。 Sargent 补充说，该团队的理论工作也可能激发人们对开发高效无机钙钛矿太阳能电池的更多兴趣和努力。
如果发生这种情况，Van de Walle 及其同事发表在 Cell Reports Physical Science 上的工作可能会导致对太阳能电池行业钙钛矿领域的重新思考。根据市场分析师 360 Research Reports 的数据，该行业在 2020 年的销售额为 6.71 亿美元，预计将以每年 33% 的速度增长。

PMG000006 Simulations herald rethink for all-inorganic perovskite solar cells – Physics World

冲浪激子：剑桥大学的 Alexander Sneyd 使用瞬态吸收显微镜装置。 来源：亚历山大·斯奈德

2021年9月15日 激子“冲浪”可以提高有机太阳能电池的效率

有机太阳能电池 (OSC) 是一种迷人的装置，其中有机分子或聚合物层进行光吸收和随后的能量传输——这些任务使太阳能电池工作。到目前为止，人们认为 OSC 的效率受到称为激子的能量载体在器件有机材料层的局部位置之间移动的速度的限制。现在，由英国剑桥大学 Akshay Rao 领导的国际科学家团队表明，情况并非如此。更重要的是，他们发现了一种称为瞬态离域的新量子力学传输机制，它使 OSC 能够达到更高的效率。
当光被太阳能电池吸收时，它会产生称为激子的电子-空穴对，这些激子的运动在设备的运行中起着至关重要的作用。发生光吸收和激子传输的有机材料层的一个例子是有序聚（3-己基噻吩）纳米纤维的薄膜。为了研究激子传输，该团队将激光脉冲照射在这种纳米纤维薄膜上并观察其响应。
由于与晶格振动（声子）和电子-空穴相互作用的强耦合，激子波函数被认为是局部的。这意味着激子将从一个局部位置缓慢移动到下一个位置。然而，研究小组观察到激子的扩散速度是之前研究中类似样品显示的速度的 1000 倍。这些速度对应于此类晶体薄膜的突破性扩散长度约为 300 nm。这意味着能量可以比以前想象的更快、更有效地传输。

冲浪振动波
为了进一步了解这一现象，描述这项研究的论文的主要作者 Alexander Sneyd 解释了研究人员的下一个任务：“我们非常有兴趣测试这种新机制是否存在于其他有机材料中，看看它是否是一种普遍现象，似乎是瞬态电荷离域的情况。我们还希望扩展允许瞬态离域的设计原则，同时探索其在不同温度和压力状态下的行为。”

阅读更多 非富勒烯有机太阳能电池显示出快速的电荷分离

Rao 及其同事提出，激子的这种异常快速的传输是由于一种称为瞬态离域的现象，其中激子通过与材料中的振动模式进行能量交换来访问离域状态波，从而在纳米纤维膜中快速“冲浪”大距离.换句话说，量子力学效应允许激子暂时离域，因此与激子在任何时间只能访问最近的相邻站点相比，在一秒的跨度内传播得更远。
在展示了这种新的高效传输机制后，该团队已经确定需要重新考虑当前 OSC 中的能量传输模型。 “这种新的传输机制开辟了新的途径来探索 OSC 材料中的高效能量传输，无论是从基本角度还是在设备的背景下，更好的传输将允许人们探索全新的设备架构。不依赖于传统的纳米级体异质结架构，”Sneyd 说。

该研究在《科学进展》中有所描述。

PMG000005 Exciton ‘surfing’ could boost the efficiency of organic solar cells – Physics World

以颗粒形式显示的高性能纯化硒化锡。 该材料的热电性能异常高。 （提供：西北大学）

2021年8月30日 多晶热电体打破热转换效率记录

韩国和美国的研究人员创造了迄今为止最高效的热电材料。这种多晶硒化锡材料拥有近 20% 的热电转换效率，可用于收集工业发电厂废热以及汽车、船舶和油轮内燃机产生的热量的设备。
全球生产的能源中有超过 65% 以废热形式流失。热电发电机是基于半导体的电子设备，可以通过塞贝克效应将这种热量转化为电能。然而，要做到这一点，它们需要由具有极低热导率同时又是良好电导体的材料制成。这是一个很难实现的组合，特别是因为这些设备还可能暴露在高达 400-500°C 的热源中，因此需要对高温保持稳健。

机械性能差
2014 年，由西北大学化学家和材料设计师 Mercouri Kanatzidis 领导的一个团队发现，单晶硒化锡 (SnSe) 比任何其他已知材料更能将废热转化为有用的电能，并具有创纪录的热电品质因数, ZT 在 924 K 时为 2.6。 随后，另一个研究小组发现，掺溴 n 型 SnSe 单晶的 ZT 甚至更高，在 773 K 时达到 2.8。 然而，SnSe 的单晶版本很难合成，机械性能差，不能批量生产。
相比之下，SnSe 的多晶形式是一种简单、二元、廉价且地球丰富的材料，具有良好的机械性能。它的传导特性也应该有利于它：由于晶界处声子的额外散射（晶格振动），多晶样品通常被认为具有比单晶更低的晶格热导率。然而，令人惊讶的是，其他研究人员发现多晶 SnSe 的晶格热导率高于相应的单晶版本。

去除“皮肤”
西北大学团队对多晶 SnSe 的初步测量证明同样令人失望。然而，当研究人员仔细观察他们的样品时，他们发现在其表面形成了一层薄薄的氧化锡。这种导热“皮肤”的导热性是硒化锡本身的 150 倍，因此首尔国立大学的 Kanatzidis 和 In Chung 开发了一种新的合成技术，以最大限度地减少其存在。他们的方法包括使用氢气和氩气还原锡起始材料以及硒化锡化合物，然后将整体退火到高温。

阅读更多 廉价的热电材料在室温下工作

所得材料的热电转换效率接近 20%，在 783 K 的温度下 ZT 为 3.1。这远高于迄今为止研究的任何其他体热电系统，这是自商业化以来的好消息热电技术的发展受到低 ZT 和铅 (Pb) 等有毒元素或碲化物 (Te) 等稀有元素的严重限制。事实上，大多数热电材料的 ZT 小于 2，而 PbTe 的 ZT 约为 2.5。
该团队在 Nature Materials 中描述的这项工作中的材料是 p 型材料。由于热电器件需要一对具有相似热电特性的 p 型和 n 型材料，该团队的成员表示，他们现在希望开发一种 n 型对应材料。

PMG000004 Polycrystalline thermoelectric breaks record for heat conversion efficiency – Physics World

Xavier Aeby 和 Gustav Nyström 发明了一种完全印刷的可生物降解的电容器，由纤维素和其他无毒成分制成。 图片：Gian Vaitl / Empa

2021年6月30日 无毒超级电容器完全可循环

瑞士杜本多夫 Empa 的研究人员完全用可回收的无毒材料制造了一种高性能超级电容器。该设备可承受数千次充电和放电循环，抗压抗震，甚至在冰冻温度下也能工作，使其成为为物联网 (IoT) 设备供电的环保选择。
物联网的发展加剧了本已棘手的电子垃圾问题。许多用于物联网应用的电子元件都是以百万为单位生产的，使用寿命很短，并且由锂离子或碱性电池供电。虽然这些电池性能良好，但它们含有有毒物质，需要在使用寿命结束时收集，然后使用特殊工艺进行回收。

在堆肥堆上
由古斯塔夫·尼斯特伦 (Gustav Nyström) 领导的研究人员现已开发出一种替代方案：一种由一次性纸状材料制成的双电层电容器 (EDLC)。在电子产品的背景下，研究人员解释说，“一次性”设备是指那些可以扔进垃圾桶、不会释放有毒物质并最终碎成小颗粒的设备。 Empa 纤维素与木材材料实验室的 Xavier Aeby 说：“在其服务结束时，我们的新 EDLC 可以加工为无细胞毒性的可堆肥材料，也可以直接留在大自然中。” “事实上，该装置在九周内分解并失去了 50% 的质量，只留下一些可见的碳颗粒。”
该设备还可以存储比传统电容器更多的电荷，它是使用一种称为直接墨水书写的方法制成的。在这种技术中，粘弹性凝胶墨水从打印机喷嘴逐行逐层挤出，形成三维物体。

可回收电容器 埋在土壤中两个月后，电容器已经解体，只留下一些可见的碳颗粒。图片：Gian Vaitl/ Empa

Nyström 及其同事的墨水仅包含无毒且可再生的材料：纳米纤维素作为胶凝剂和网络形成剂以及作为基材；用于制造高表面积电极的碳粉；甘油作为纳米纤维素中的增塑剂和电解质；和水作为溶剂。纳米纤维素本身包含高性能生物纳米纤维，这是用于造纸的微米级纤维的更精细版本。
虽然配方听起来相对简单，但开发起来肯定不容易。 “它进行了一系列扩展测试，直到所有参数都正确为止，并且每个组件都可靠地从打印机流出并且电容器工作，”Aeby 说。 “作为研究人员，我们不想只是摆弄，我们还想了解我们的材料内部发生了什么。”

物联网的理想选择
为了测试他们的设备对实际应用的适用性，Nyström 及其同事在复杂的 3D 表面上打印了一个由六个串联连接的超级电容器组成的储能电路。他们发现这个系统可以储存几个小时的电力，并且能够为标准的数字闹钟供电。

阅读更多 碳基墨水制造第一个完全可回收的晶体管

未来，Nyström 和 Aeby 表示，这种电容器可以在使用电磁场充电后为传感器或微型发射器供电数小时，使其成为物联网应用的理想选择。随着“即时”诊断（例如糖尿病患者的自检设备）得到更广泛的使用，预计微型设备的数量也会增加。 “一次性纤维素电容器也非常适合这些应用，”Nyström 说。
报告他们在先进材料领域工作的研究人员表示，他们现在计划研究提高超级电容器中可存储电荷量的方法——“理想情况下，不牺牲无毒要求，”Nyström 告诉《物理世界》。

PMG000003 Non-toxic supercapacitors go fully recyclable – Physics World

第一电解质（绿色）与锂相比更稳定，但易于枝晶渗透。 第二种电解质（棕色）对锂的稳定性较差，但对树突免疫。 在这种设计中，允许树枝状晶体生长穿过石墨和第一种电解质，但当它们到达第二种电解质时被阻止。 图片由Second Bay Studios / Harvard SEAS提供

2021年5月27日 夹层策略可延长固态锂电池的使用寿命

美国的研究人员创造了一种新型固态锂金属电池，该电池可以在高电流密度下以创纪录的循环次数进行充电和放电。概念验证装置与现有的液体电解质锂离子电池根本不同，可以将电动汽车电池的寿命延长至10-15年，类似于汽油和柴油汽车。
电动汽车的理想电池可以使用很长时间，并且可以很快存储大量电量。锂金属电池由于其高容量和高能量密度而在这些标准中得分居第二位，但其使用寿命却有待改进。这是因为，在充电期间，锂离子从阴极移动到阳极。当该阳极由锂金属制成时，称为树枝状晶体的针状结构会在电极表面形成并长成电解质。最终，这些多余的结构刺穿了隔离阳极和阴极的势垒，导致电池短路甚至着火。
为了克服这个问题，研究人员此前曾尝试用固态装置代替这些装置中的液态电解质，固态装置更难以使树枝状晶体通过。然而，实际上，锂树突仍然可以通过组装电池时产生的微米级或亚微米级的裂纹穿过阻挡层。

三明治效应
哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）材料科学教授辛立（Xin Li）领导的研究人员现已开发出一种固态电池，其中锂枝晶的渗透不再是问题。他们的新电池设计采用了多层方法，而不是仅用一个障碍物就阻止了树枝状晶体在其轨道上死亡。该设计在《自然》中进行了详细介绍，其中包含了一种不稳定的电解质，该电解质夹在稳定性更高的固体电解质层之间。这些层一起使树枝状晶体的生长受到控制。
完整的电池“三明治”由六层组成：锂金属阳极，石墨涂层，第一电解质，第二电解质，第一电解质的另一层，最后是阴极。化学式为Li5.5PS4.5Cl1.5（LPSCI）的第一种电解质易于枝晶渗透。第二种电解质Li10Ge1P2S12（LGPS）更坚固。这个想法是允许树枝状晶体生长通过石墨和电解质。 1，但当它们到达电解液编号时停止。 2 –最重要的是，在它们使电池短路之前。
团队成员Luhan Ye说：“引入不稳定因素来稳定电池可能听起来违反直觉。” “但是就像（膨胀）锚可以引导和控制螺钉进入干墙一样，我们的多层设计也可以引导和控制树突的生长。区别在于，我们的锚点（LPSCI）很快变得太紧，以致于枝晶无法钻透，因此枝晶生长停止了。”

卓越的骑行表现
研究人员发现，当他们将锂金属阳极与LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2阴极配对时，循环性能非常稳定，在20C速率（8.6 mA / cm2）和以1.5C（0.64 mA / cm2）的速率经过2 000次循环后其容量的81.3％。该设计允许从阴极材料获得110.6 kW / kg的比功率和高达631.1 Wh / kg的比能量。
该测试设备在0.25 mA / cm2的条件下循环1800小时，这明显好于研究人员测试的单电极型电池。它也可以在20 mA / cm2的极高电流密度下循环，而其“过电势”（即在工作条件下理论或热力学确定的电压与实际电压之间的电势差）约为0.5 V，而没有明显的征兆。即使在55°C的温度下也会发生短路。

更长的寿命和更快的充电
研究人员认为，新的电池技术可以使电动汽车的寿命与汽油或柴油动力汽车的寿命相仿（10至15年），而无需更换电池。他们说，凭借其高电流密度，该设计还可以“为可在10至20分钟内充满电的电动汽车铺平道路”。

阅读更多 超越锂离子电池
李补充说：“这种概念验证设计表明，锂金属固态电池可以与商用锂离子电池竞争。” “而且我们多层设计的灵活性和多功能性使其有可能与电池行业的批量生产程序兼容。”
研究人员说，他们现在计划将其设备扩大到ID卡大小的袋式存储单元。 Li告诉《物理世界》：“我们希望在我们的工作中展现出具有吸引力的性能，因为我们的创新专注于材料化学及其组合的可扩展因素。” “该设计还为固态电池研究中的许多新基础研究打开了大门，而如果没有稳定的锂金属阳极，这是迄今为止不可能的。”

PMG000002 Sandwich strategy makes solid-state lithium battery last longer – Physics World

钙钛矿太阳能电池对于太阳能应用而言足够稳定。 来源：Greg Stewart / SLAC国家加速器实验室

2021年2月4日 钙钛矿太阳能电池在压力下稳定

由卤化钙钛矿制成的太阳能电池擅长将太阳能转化为电能，并且制造相对简单。不幸的是，它们在室温和环境湿度下也不稳定，这对于往往位于室外的设备来说是一个缺点。不过，现在，美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员可能已经找到了解决方案。他们的新技术涉及在高压和高温下对材料进行预处理，其开发人员表示可以扩大规模以用于工业生产。
钙钛矿是具有ABX3结构的晶体材料，其中A为铯，甲基铵（MA）或甲ami（FA）； B是铅或锡； X是氯，溴或碘。它们是薄膜太阳能电池的有希望的候选者，因为它们具有可调节的带隙，可以吸收很宽的太阳光谱波长范围内的光。电荷载流子（电子和空穴）也可以通过长距离快速扩散通过它们。这些优异的性能使钙钛矿型太阳能电池的功率转换效率（PCE）超过18％，使其与成熟的太阳能电池材料（如硅，砷化镓和碲化镉）相当。
太阳能电池应用中最有效的钙钛矿之一是铯，铅和碘。这种材料CsPbI3具有四个可能的相：黄色的室温非钙钛矿相（δ），以及三个黑色的高温钙钛矿相关相，其中晶体呈现立方（α），四方（β）或斜方（γ）结构。虽然黑相能有效地将太阳光转化为电能，但热量和湿度很快会使它们恢复为黄相，这对光伏应用没有用。

高压挤压
SLAC-斯坦福大学的研究人员现在表明，可以将这种黄色相微调为有效且稳定的黑色结构。在Yu Lin，Wendy Mao，Hemamala Karunadasa和Feng Ke的带领下，他们通过将黄色相晶体放置在金刚石砧盒（DAC）的尖端之间并在温度高达0.1 GPa到0.6 GPa的压力下进行此操作。至450℃。然后，他们迅速冷却材料，并从DAC中取出样品。
同步加速器X射线衍射和拉曼光谱测量表明，该处理产生了正交晶型γ-CsPbI3，该版本在有水分（相对湿度为20-30％）下稳定，并且在室温下保持有效10至30天。这是对早期通过使用施加的应变，表面处理和改变材料的化学成分使黑相稳定在室温下的努力的一项重大改进，所有这些工作只有在环境保持无水分的情况下才能产生良好的结果。
Lin说：“这是第一次（在环境条件下）使用压力来控制这种材料的稳定性。” “现在，我们已经找到了制备材料的最佳方法，有可能将其扩大规模用于工业生产，并有可能使用相同的方法来处理其他钙钛矿相。”

稳定γ-CsPbI3相
理论研究表明，SLAC-Stanford团队成功的秘诀在于高压，高温处理会影响钙钛矿晶格内的变形。以前，其他研究人员已经确定了三种变形类型：构成材料晶体结构的BX6八面体单元变形；八面体中的B阳离子位移;并且将各个BX6八面体相对于彼此倾斜以创建刚性的角链接单元。在这三种类型中，第三种是最常见的八面体倾斜。

耐用的钙钛矿太阳能电池
两年前，英国牛津大学的亨利·斯奈思（Henry Snaith）领导的研究人员计算出，[PbI6] 4-阳离子的八面体倾斜极大地影响了CsPbI3的三个α，β和γ钙钛矿相的形成能。在这些钙钛矿相中，γ相具有最大的八面体倾斜度，因此具有最低的能量。
在当前的研究中，斯坦福大学材料与能源科学研究所（SIMES）的Chunchun Jia和Thomas Devereaux使用第一原理密度泛函理论计算表明，对钙钛矿施加压力会影响其倾斜。更具体地说，通过加压处理，可以控制所需的γ-CsPbI3相与竞争的非钙钛矿相（δ-CsPbI3）之间的相对能量差，并最终稳定前者。

这项工作在《自然通讯》中有详细介绍。

PMG000001 Solar-cell perovskites turn stable under pressure – Physics World