伦敦大学学院开发的单原子厚砷磷合金带材有望变革电池和太阳能电池工艺

伦敦大学学院开发的单原子厚砷磷合金带材有望变革电池和太阳能电池工艺伦敦大学学院（UCL）的研究人员开发出了由磷和砷合金组成的一原子厚的带状材料。这项创新有望显著提高电池、超级电容器和太阳能电池等各种设备的效率。研究小组于2019年发现了纳米磷带。这种"神奇材料"预计将彻底改变从电池到生物医学传感器等各种设备，后来被用于提高锂离子电池的寿命和太阳能电池的效率。然而，纯磷材料的导电性能并不理想，妨碍了它们在某些应用中的使用。在这项发表在《美国化学学会杂志》上的新研究中，研究人员创造出了由磷和微量砷制成的纳米带，他们发现这种纳米带能够在摄氏零下140度以上的温度下导电，同时还保留了纯磷带非常有用的特性。砷磷烯纳米带资料来源：《美国化学学会杂志》（2023年）。DOI:10.1021/jacs.3c03230资深作者亚当-克兰西（AdamClancy）博士（伦敦大学洛杉矶分校化学系）说："早期的实验工作已经表明，我们UCL团队在2019年首次创造出的磷纳米带具有非凡的前景。例如，2021年的研究表明，在过氧化物太阳能电池中加入纳米带作为层，可以使电池从太阳中获取更多能量。我们在将纳米磷带与砷合金化方面的最新工作开辟了更多可能性--特别是改善电池和超级电容器的能量存储，以及增强医学中使用的近红外探测器。砷磷纳米带还具有磁性，我们认为磁性来自于边缘的原子，这使得它们也有可能用于量子计算机。"更广泛地说，这项研究表明，合金化是控制这种不断增长的纳米材料家族的特性，从而控制其应用和潜力的有力工具。研究人员说，同样的技术也可用于制造磷与硒或锗等其他元素的合金。要用作锂离子或钠离子电池的阳极材料，目前磷纳米带需要与碳等导电材料混合。加入砷后，就不再需要碳填料，而且可以去除碳填料，从而提高电池的储电量和充放电速度。同时，在太阳能电池中，砷磷纳米带可以进一步改善电荷在设备中的流动，从而提高电池的效率。研究小组制作的砷磷纳米带通常只有几层高，几微米长，几十纳米宽。它们是由磷和砷薄片形成的晶体与溶解在零下50摄氏度液氨中的锂混合而成（24小时后，氨被移除，取而代之的是有机溶剂）。这些薄片的原子结构意味着锂离子只能沿一个方向移动，而不能横向移动，这就造成了裂纹，从而形成了带状晶体。纳米带的一个主要特点是它们还具有极高的"空穴迁移率"。空穴是电子在电子传输过程中的反向伴侣，因此提高空穴的迁移率（衡量空穴在材料中移动速度的指标）有助于提高电流传输的效率。这种纳米带可以在液体中大规模生产，然后以低成本大量应用于不同的应用领域。磷纳米带是由克里斯-霍华德教授（UCL物理与天文学）领导的跨学科团队在UCL发现的。自2014年分离出二维磷烯薄片以来，已有100多项理论研究预测了生产这种材料的窄带可能产生的令人兴奋的新特性。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398503.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398503.htm

新技术大幅提高柔性太阳能电池的发电效率

新技术大幅提高柔性太阳能电池的发电效率研究人员通过引入"客体"成分，提高了三元有机太阳能电池的效率。这种改性可改善太阳能电池对阳光的吸收，优化太阳能电池的运行。通过对这种客体成分进行战略性放置和改性，他们实现了超过19%的功率转换效率提升。有机与无机太阳能电池有机光伏太阳能电池（OSC）是一种使用有机材料（通常由小分子或聚合物组成）将太阳光转化为电能的太阳能电池，有别于使用晶体硅或其他无机材料的传统无机太阳能电池。开放式太阳能电池的主要优点之一是灵活轻便。利用喷墨打印等基于溶液的工艺，它们可以廉价地制成柔性卷筒而非刚性面板，因此适合传感器、便携式充电器或可穿戴电子设备等多种应用。OSC还可以设计成半透明或各种颜色，从而可以美观地集成到建筑物、窗户或其他结构中。不过，与无机太阳能电池相比，开放式晶体管的功率转换效率（PCE）较低。TOSC在一定程度上改变了这一状况。传统的二元有机太阳能电池由供体材料和受体材料组成，与之不同的是，TOSC包含额外的第三种成分，通常称为"客体"。引入这种客体成分是为了优化太阳能电池运行的各个方面，从调整电池的内部能量流到改进电池如何将光能转化为电能。三元组份活性层中嵌入的主/客体"合金"聚集说明。资料来源：李永海客体"成分的作用对于提高PCE尤为重要的是，客体成分还可以拓宽可吸收光的光谱。通过选择一种能在供体或受体未覆盖的范围内吸收光的客体材料，可以提高电池对阳光的整体吸收率。同时，还能很好地调整混合薄膜的形态，使其能够进行激子解离、电荷生成和传输。鉴于客体成分可以发挥多种不同的功能，其在太阳能电池'三明治'或矩阵中的具体位置可以从根本上改变性能。该研究的合著者李永海说："根据其位置的不同，客体元件既可以以闪电般的速度传输能量，也可以帮助捕捉更多的阳光。"现有三种不同位置的可能性：嵌入供体材料，嵌入受体材料，或以某种方式分散在供体和受体界面之间，形成混合的合金状结构（聚集体）。但到目前为止，人们还很少关注客体成分的位置问题。实验细节和结果在研究中，研究人员在TOSC中使用了一种名为LA1的客体成分（与其他客体成分材料的结晶度不同）。LA1是一种小分子受体，研究人员用苯基烷基侧链对其进行了修饰--苯基烷基侧链是一种官能团（分子中原子的集合，具有自身的一系列特性），常用于设计用于光伏设备的有机材料。用苯基烷基侧链对LA1进行改性，在保持令人满意的兼容性的同时，改善了其结晶度和排列，从而提高了其在TOSC中的性能。此外，研究人员还通过对与主成分相互作用的各种条件（包括主/客体相容性、表面能、结晶动力学和分子间相互作用）进行调控，来调节客体成分的分布。通过这种方法，他们在大多数客体分子中发现了类似合金的聚集体，这些聚集体也渗透并分散到宿主分子中。令人印象深刻的是，这些嵌入式主/客"合金"的结晶尺寸可以很容易地进行微调，以改善电荷传输和抑制电荷重组。因此，研究人员最初能够实现15%以上的PCE增效，然后通过将客体成分与作为主成分的Y6系列受体相结合，他们实现了19%以上的更大增效。研究人员认为，他们已经取得了相当大的实验成功，但这些增益的驱动力在理论上仍然不太清楚。展望未来，研究人员希望能更好地阐明这些基本机制。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382215.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382215.htm

研究：碳纳米管提高了“纳米仿生”细菌太阳能电池的效率

研究：碳纳米管提高了“纳米仿生”细菌太阳能电池的效率瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的工程师们发现了一种将碳纳米管插入光合细菌的方法，这大大提高了它们的电输出。它们甚至在分裂时将这些纳米管传给它们的后代，该团队称之为“遗传纳米仿生学”。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1317903.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1317903.htm

新材料可大幅提高太阳能电池板的效率

新材料可大幅提高太阳能电池板的效率美国利哈伊大学的一个研究小组创造了一种材料，它可以大大提高太阳能电池板的效率。使用这种材料作为太阳能电池活性层的原型显示出80%的平均光电吸收率、很高的光激发载流子生成率以及前所未有的高达190%的外部量子效率(EQE)--这远远超过了硅基材料的肖克利-奎塞尔理论效率极限，并将光伏量子材料领域推向了新的高度。ChindeuEkuma。资料来源：利哈伊大学物理学教授ChineduEkuma在《科学进展》（ScienceAdvances）杂志上发表了他与利哈伊大学博士生SrihariKastuar合作开发这种材料的论文。先进的材料特性这种材料的效率飞跃主要归功于其独特的"中间带态"，即材料电子结构中的特定能级，使其成为太阳能转换的理想选择。这些态的能级在最佳子带间隙内，即材料能有效吸收阳光并产生电荷载流子的能量范围，约为0.78和1.26电子伏特。此外，这种材料在电磁波谱的红外线和可见光区域的高吸收率表现尤为出色。以CuxGeSe/SnS为活性层的薄膜太阳能电池示意图。资料来源：Ekuma实验室/利哈伊大学在传统太阳能电池中，最大EQE为100%，即每吸收一个太阳光光子，就能产生和收集一个电子。然而，过去几年中开发的一些先进材料和配置已证明能够从高能光子中产生和收集一个以上的电子，即EQE超过100%。斯里哈里-卡斯图阿尔，利哈伊大学。资料来源：利哈伊大学虽然这种多重激子生成（MEG）材料尚未广泛商业化，但它们有可能大大提高太阳能发电系统的效率。在Lehigh开发的材料中，中间带态能够捕获传统太阳能电池通过反射和产热等方式损失的光子能量。材料开发与潜力研究人员利用"范德华间隙"（层状二维材料之间的原子级微小间隙）开发出了这种新型材料。这些间隙可以限制分子或离子，材料科学家通常利用它们来插入或"插层"其他元素，以调整材料特性。为了开发新型材料，利哈伊大学的研究人员在硒化锗（GeSe）和硫化锡（SnS）制成的二维材料层之间插入了零价铜原子。Ekuma是计算凝聚态物理方面的专家，在对该系统进行了大量计算机建模并证明其理论前景后，他开发了这一原型作为概念验证。他说："其快速反应和更高的效率有力地表明了铜掺杂GeSe/SnS作为一种量子材料在先进光伏应用中的使用潜力，为提高太阳能转换效率提供了一条途径。这是开发新一代高效太阳能电池的理想候选材料，将在满足全球能源需求方面发挥至关重要的作用。"虽然将新设计的量子材料整合到当前的太阳能系统中还需要进一步的研究和开发，但埃库马指出，用于制造这些材料的实验技术已经非常先进。随着时间的推移，科学家们已经掌握了将原子、离子和分子精确插入材料的方法。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427195.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427195.htm

研究人员利用分子工程提高有机太阳能电池效率

研究人员利用分子工程提高有机太阳能电池效率聚合物太阳能电池以重量轻、灵活性强而著称，是可穿戴设备的理想选择。然而，生产过程中所需的有毒卤化溶剂却阻碍了它们的广泛应用。这些溶剂带来了环境和健康风险，限制了这些太阳能电池的吸引力。遗憾的是，毒性较低的替代溶剂缺乏相同的溶解性，因此需要更高的温度和更长的加工时间。这种低效率进一步阻碍了聚合物太阳能电池的应用。开发出一种无需使用卤化溶剂的方法，可以显著提高有机太阳能电池的效率，使其更适用于可穿戴技术。在最近发表的一篇论文中，研究人员概述了如何利用侧链工程改善聚合物供体和小分子受体之间的分子相互作用，从而减少对卤化加工溶剂的需求。论文最近发表在《纳米研究能源》（NanoResearchEnergy）上。"聚合物供体和小分子受体的混合形态受其分子相互作用的影响很大，而分子相互作用可由供体和受体材料之间的界面能决定。当它们的表面张力值相似时，供体和受体之间的界面能和分子相互作用预计会更有利，"韩国庆尚国立大学教授Yun-HiKim说。"为了增强聚合物供体的亲水性并减少分子脱杂，侧链工程可能是一条可行的途径。"侧链工程的作用侧链工程是指在分子的主链上添加一个称为侧链的化学基团。侧链中的化学基团会影响大分子的性质。研究人员推测，添加基于低聚乙二醇（OEG）的侧链将提高聚合物供体的亲水性，这要归功于侧链中的氧原子。具有亲水性的分子会被水吸引。聚合物太阳能电池的整体性能和聚合物太阳能电池中亲水侧链分子的热稳定性示意图根据整体性能和热稳定性，在制造PSC时，碳氢化合物和亲水性低聚乙二醇(2EG)的混合物比标准溶剂的性能更好。资料来源：清华大学出版社《纳米研究能源》聚合物供体和小分子受体亲水性的不同会影响它们的相互作用。随着聚合物供体亲水性的增加以及它们与小分子受体之间相互作用的改善，可以使用非卤化加工溶剂，而不会影响太阳能电池的性能。事实上，用OEG侧链连接苯并二噻吩聚合物供体制成的聚合物太阳能电池的功率转换效率为17.7%，高于15.6%。提高效率和稳定性为了比较结果，研究人员设计了带有OEG侧链、碳氢化合物侧链或50%碳氢化合物侧链和50%OEG侧链的苯并二噻吩基聚合物供体。Kim说："这阐明了侧链工程对非卤化溶剂加工聚合物太阳能电池的混合形态和性能的影响。我们的研究结果表明，具有亲水性OEG侧链的聚合物可以提高与小分子受体的混溶性，并在非卤化加工过程中提高聚合物太阳能电池的功率转换效率和器件稳定性。"除了提高功率转换效率外，带有OEG侧链的聚合物太阳能电池还具有更高的热稳定性。热稳定性对于聚合物太阳能电池的规模化至关重要，因此研究人员将其加热到120摄氏度，然后比较功率转换效率。加热120小时后，带有碳氢化合物侧链的聚合物的功率转换效率仅为最初的60%，而且表面出现了不规则现象，而碳氢化合物和OEG的混合物则保持了最初功率转换效率的84%。Kim说："我们的研究结果可以为设计聚合物供体提供有用的指导，从而利用非卤化溶剂加工生产出高效稳定的聚合物太阳能电池。"参考文献：SoodeokSeo、Jun-YoungPark、JinSuPark、SeungjinLee、Do-YeongChoi、Yun-HiKim和BumjoonJ.Kim于2023年7月24日发表在《纳米研究能源》上的论文："亲水侧链聚合物供体可通过非卤化溶剂处理实现高效、热稳定的聚合物太阳能电池"。doi:10.26599/nre.2023.9120088编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1403357.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1403357.htm

新型铜铟镓硒太阳能电池能效创纪录 转换效率高达23.64%

新型铜铟镓硒太阳能电池能效创纪录转换效率高达23.64%最新CIGS太阳能电池结构的电子显微镜分析。图片来源：《自然·能源》网站国际能源署数据显示，太阳能电池的部署量在全球范围内迅速增长，2022年太阳能发电量占全球电力超过6%。晶硅是太阳能电池中使用最广泛的材料，目前由晶硅制成太阳能电池最多可将逾22%的阳光转化为电力，这种太阳能电池成本低廉且性能比较稳定。研究人员希望以合理的生产成本获得30%以上的光电转换效率，由此开始关注CIGS等更高效的串联太阳能电池。但串联太阳能电池成本太高，迄今无法大规模生产和部署。薄膜太阳能电池中活性层的横截面，总厚度不超过3微米。利用隆德MAXIV设施测量的纳米XRF，可以高精度地测量太阳能电池中基体元素和微量元素（本例中为铷）的浓度。资料来源：MarikaEdoff最新研制出的CIGS太阳能电池包含一块玻璃板，玻璃板上覆盖了几个不同的层，每个层都具有特定功能。吸收阳光的材料由铜、铟、镓和硒化物组成，并添加了银和钠。材料被置于太阳能电池内，位于金属钼和透明的玻璃板之间。为使太阳能电池在分离电子方面尽可能高效，研究团队用氟化铷处理了CIGS层。研究人员表示，钠和铷这两种碱金属之间的平衡，以及CIGS层的组成是提高转换效率的关键。CIGS太阳能电池能效此前的世界纪录是23.35%，由日本SolarFrontier公司创造，再之前是德国巴登符腾堡太阳能和氢能源研究中心创下的纪录22.9%。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1421703.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1421703.htm