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。Chindeu Ekuma。资料来源：利哈伊大学物理学教授 Chinedu Ekuma 在《科学进展》（Science Advances）杂志上发表了他与利哈伊大学博士生 Srihari Kastuar 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： 手机版：

热电池系统的效率创下电网规模储能的最高纪录

热电池系统的效率创下电网规模储能的最高纪录 新型热光电池的小型实验室测试 布伦达-阿赫恩，密歇根工程学院随着可再生能源价格的快速下降，现在的障碍在于它们的间歇性任何可再生能源怀疑论者都会向我们抛出的第一个问题是："但晚上或没有风的时候怎么办？"一个叫做"电池"的东西可以在这方面提供帮助，电网规模的储能系统并不缺乏，它们可以为雨天（字面意义上的）节约能源。这包括锂离子电池等经典产品的升级，也包括铁-空气、盐水、液流电池或各种基于重力的系统等更具实验性的设计。最有前途的途径之一是将能量储存为热能。介质本身可以很广泛，如沙子、熔盐、火山灰、碳块、粘土砖等，但不幸的是，从热量中获取能量并将其转化为电能可能是最棘手的部分。这就是新系统的用武之地。该设备由密歇根大学的研究人员开发，其工作原理是热光电效应。它类似于太阳能电池，后者是光生伏打，通过光（光子）产生电（伏特）。热光电效应显然会在其中加入热量（thermo）。实际上，这意味着它们吸收的是光谱中红外线部分的光子，而不是太阳能电池捕捉的高能可见光光子。这种新型热光电池在测试中使用碳化硅作为蓄热材料，但也可以换成其他任何有效的材料。碳化硅的周围有一种由铟、镓和砷制成的半导体材料，这种材料经过精心设计，可以捕捉到最广泛的光子，特别是由加热材料产生的光子。当研究小组将这种材料加热到1435 °C（2615 °F）时，它开始辐射出不同能量水平的热光子，其中20%到30%的光子能被半导体捕获。为了利用其中一些能量较高或较低的光子，该电池在半导体之后有一层薄薄的空气层，然后是金反射层。这样，一些光子会被弹回半导体，转换成电能，而另一些光子则会被弹回蓄热材料，使它们有机会作为合适的光子被发射出来。新型热光电池的示意图及其与其他同类产品的性能对比图 Roy-Layinde 等人这种设计使总功率转换效率达到 44%。这使得它比其他在相同温度下工作的设计效率要高得多，其他设计的最高效率为 37%。其他设计的效率也曾超过 40%，但它们的工作温度要高得多，在很多情况下都不太可行。其原理是利用风能或太阳能发电场产生的电能，或直接吸收工业生产过程或太阳能热能系统产生的多余热量来加热存储材料。它的效率可能只有锂离子电池的一半，但它的安全性更高，制造和运行成本更低，这意味着无论如何，扔掉一半的电力仍然是划算的，尤其是电力不再是有限的资源。研究小组表示，这种技术还有一定的发展空间。这项研究的特约作者斯蒂芬-福雷斯特说："我们还没有达到这项技术的效率极限。我相信，在不远的将来，我们的效率将超过 44%，并突破 50%。"这项研究发表在《焦耳》杂志上。 ... PC版： 手机版：

革命性催化剂涂层技术在短短4分钟内大幅提升燃料电池性能

革命性催化剂涂层技术在短短4分钟内大幅提升燃料电池性能 一个合作研究小组开发出一种新型催化剂涂层技术，只需四分钟就能将固体氧化物燃料电池的性能提高三倍，为能源转换技术带来了潜在的进步。资料来源：韩国能源研究所（KIER）该技术采用纳米级氧化镨催化剂，针对空气电极的氧还原反应，显著提高了 SOFC 的功率输出。这种新方法既经济又与现有制造工艺兼容，有望得到更广泛的应用，包括高温电解制氢。韩国能源研究所（KIER）氢聚合材料实验室的 Yoonseok Choi 博士与韩国科学技术院（KAIST）材料科学与工程系的 WooChul Jung 教授和釜山国立大学材料科学与工程系的 Beom-Kyung Park 教授一起，成功开发出一种催化剂涂层技术，可在短短 4 分钟内显著提高固体氧化物燃料电池（SOFC）的性能。作为推动氢经济发展的高效清洁能源设备，燃料电池正受到越来越多的关注。其中，固体氧化物燃料电池（SOFC）的发电效率最高，可使用氢气、沼气和天然气等各种燃料。此外，它们还可以利用发电过程中产生的热量，实现热电联产，因此成为目前研究和开发的热点。SOFC 的 LSM-YSZ 电极电化学涂层工艺示意图。资料来源：韩国能源研究院（KIER）固体氧化物燃料电池（SOFC）的性能在很大程度上取决于发生在空气电极（阴极）上的氧还原反应（ORR）动力学。空气电极的反应速率慢于燃料电极（阳极）的反应速率，从而限制了整体反应速率。为了克服这种缓慢的动力学特性，研究人员正在开发具有高 ORR 活性的新型空气电极材料。然而，这些新材料一般仍缺乏化学稳定性，需要不断进行研究。联合研究小组照片（最右边为高级研究员 Yoon-Seok Choi）。资料来源：韩国能源研究院（KIER）研究团队将重点放在提高 LSM-YSZ 复合电极的性能上，这种材料因其出色的稳定性而被广泛应用于工业领域。因此，他们开发了一种在复合电极表面涂覆纳米级氧化镨（PrOx）催化剂的涂层工艺，这种催化剂能积极促进氧还原反应。通过应用这种涂层工艺，他们显著提高了固体氧化物燃料电池的性能。研究小组引入了一种电化学沉积方法，该方法可在室温和大气压力下运行，无需复杂的设备或工艺。将复合电极浸入含有镨（Pr）离子的溶液中并施加电流，电极表面产生的氢氧根离子（OH-）会与镨离子发生反应，形成沉淀，均匀地覆盖在电极上。该涂层经过干燥过程，转化为氧化物，在高温环境中保持稳定并有效促进电极的氧还原反应。整个涂层过程只需 4 分钟。此外，研究小组还阐明了涂层纳米催化剂促进表面氧交换和离子传导的机制。他们提供的基本证据表明，催化剂涂层方法可以解决复合电极反应速率低的问题。通过对所开发的催化剂涂层复合电极和传统复合电极进行超过 400 小时的操作，研究小组观察到极化电阻降低了十倍。此外，在 650摄氏度的条件下，使用这种涂层电极的 SOFC 的峰值功率密度（142 mW/cm² → 418 mW/cm²）是未涂层情况下的三倍。这代表了使用 LSM-YSZ 复合电极的 SOFC 的最高性能。共同通讯作者 Yoonseok Choi 博士说："我们开发的电化学沉积技术是一种后处理方法，不会对现有的 SOFC 制造工艺产生重大影响。这使得引入氧化物纳米催化剂具有经济可行性，提高了其工业应用性。我们已经掌握了一项核心技术，它不仅可以应用于 SOFC，还可以应用于各种能量转换设备，例如用于制氢的高温电解 (SOEC)。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

氢化镁：可持续能源存储的关键？

氢化镁：可持续能源存储的关键？ 研究人员发现了氢化镁作为储氢解决方案失败的原因，并确定了前进的道路，有可能彻底改变氢在能源应用中的使用。在杜本多夫（Dübendorf）的超高真空室中利用电子能谱对纯镁层中氢的迁移进行了研究。图片来源：Empa / AB / IFJ PAN长期以来，氢一直被视为未来的能源载体。然而，在氢成为能源领域的现实之前，必须开发出高效的氢储存方法。如果选择的材料能够以较低的能源成本首先将氢注入其中，然后根据需要进行回收，最好是在与我们日常生活环境相似的条件下进行回收，那么这种材料似乎就是最佳的解决方案。镁似乎是一种很有希望的储氢材料。然而，将其转化为氢化镁需要一种适当高效的催化剂，而这种催化剂尚未找到。由位于杜本多夫的瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）、苏黎世大学化学系和克拉科夫波兰科学院核物理研究所（IFJ PAN）的科学家组成的研究小组的工作表明，迄今为止多年失败的原因在于对氢气注入过程中镁发生的现象了解不全面。理论与实验启示将氢气作为一种能源加以利用的主要障碍是储存氢气的困难。在目前仍然罕见的氢动力汽车中，氢气是在大约 700 个大气压的压力下压缩储存的。这既不是最便宜的方法，也不是最安全的方法，而且与效率关系不大：一立方米中只有 45 千克氢。如果事先对氢气进行冷凝，同样的体积可以储存 70 千克氢气。遗憾的是，液化过程需要大量能源，而且在整个储存过程中必须保持约 20 开尔文的极低温度。一种替代方法是使用合适的材料，例如氢化镁，它可以在一立方米中储存 106 千克氢。镁晶格中氢（蓝色）分布的可视化：镁和镁氢化物区域明显分开。电离后的镁原子以米色标出。资料来源：IFJ PAN / ZŁ氢化镁是测试储氢能力的材料中最简单的一种。其含量可达 7.6%（按重量计）。因此，氢化镁装置相当重，主要适用于固定应用。不过，值得注意的是，氢化镁是一种非常安全的物质，可以毫无风险地储存在地下室等地方，而且镁本身也是一种容易获得的廉价金属。深入了解氢化镁的局限性理论物理学家 Zbigniew Lodziana 教授（IFJ PAN）说："将氢融入镁中的研究已经进行了几十年，但还没有找到可以广泛应用的解决方案。问题的根源之一是氢元素本身。这种元素可以有效地穿透镁的晶体结构，但只能以单个原子的形式存在。要想从典型的分子氢中获得氢，就需要一种催化剂，其效率足以使氢在材料中的迁移过程快速且能量可行。因此，每个人都在寻找一种符合上述条件的催化剂，但遗憾的是，没有取得多少成功。今天，我们终于知道为什么这些尝试注定要失败了。"Lodziana 教授为镁与氢原子接触时发生的热力学和电子过程建立了一个新模型。该模型预测，在氢原子迁移过程中，材料中会形成局部热力学稳定的氢化镁簇。在金属镁及其氢化物的边界，材料的电子结构会发生变化，而正是这些变化在降低氢离子的迁移率方面发挥了重要作用。换句话说，镁氢化物形成的动力学主要是由其与镁的界面现象决定的。迄今为止，在寻找高效催化剂的过程中还没有考虑到这种影响。Lodziana 教授的理论研究是对瑞士杜本多夫实验室所做实验的补充。在这里，我们在超高真空室中研究了溅射到钯上的纯镁层中原子氢的迁移。测量仪器能够记录所研究样品的几个外原子层的状态变化，这些变化是由新化合物的形成和材料电子结构的相关转变引起的。IFJ PAN 研究人员提出的模型使我们能够充分理解实验结果。瑞士-波兰物理学家小组的研究成果不仅为寻找氢化镁的最佳催化剂铺平了道路，还解释了为什么以前发现的一些催化剂比预期的效率更高。"有很多证据表明，镁及其化合物的储氢技术之所以没有取得重大进展，仅仅是因为我们对这些材料中的氢传输过程了解不全面。几十年来，我们一直在寻找更好的催化剂，但却没有找到我们应该寻找的催化剂。现在，新的理论和实验结果让我们有可能再次乐观地思考如何进一步改进将氢引入镁中的方法，"Lodziana 教授总结道。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新型二维材料可以以惊人的精度改善先进系统和通信的光学调制

新型二维材料可以以惊人的精度改善先进系统和通信的光学调制 可调谐光学材料（TOMs）正在彻底改变现代光电子技术，即检测、产生和控制光的电子设备。在集成光子电路中，精确控制材料的光学特性对于开启光操纵领域的突破性和多样化应用至关重要。二维材料，如过渡金属二卤化物（TMD）和石墨烯对外部刺激表现出非凡的光学响应。然而，如何在短波红外（SWIR）区域内实现独特的调制，同时在紧凑的空间内保持精确的相位控制和较低的信号损耗，一直是个难题。在发表于《自然-光科学与应用》（Nature Light Science & Application）的一篇题为"基于铁离子二维材料的复合硅光子学中的电光调谐"（Electro-Optic Tuning in Composite Silicon Photonics Based on Ferroionic 2D Materials）的新论文中，由研究科学家加达-杜沙克（Ghada Dushaq）和电气工程副教授兼PRL实验室主任马哈茂德-拉斯（Mahmoud Rasras）领导的科学家团队通过利用铁离子二维材料CuCrP2S6（CCPS），展示了一种主动光操纵的新途径。通过将首创的二维原子级薄材料集成到硅芯片上的微环结构中，该团队提高了设备的效率和紧凑性。当这些二维材料集成到硅光学器件上时，就会表现出一种非凡的能力，即在不产生任何衰减的情况下，对传输信号的光学特性进行精细调节。这种技术有望彻底改变环境传感、光学成像和神经形态计算等对光灵敏度要求极高的领域。Rasras 说："这项创新可精确控制折射率，同时最大限度地减少光损耗，提高调制效率，并减少占地面积，使其适用于下一代光电子技术。从相控阵和光学开关到环境传感和计量、光学成像系统，以及光敏人工突触中的神经形态系统，都有一系列令人兴奋的潜在应用。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

催化剂设计的革命性变革：新研究将结构与反应性能联系起来

催化剂设计的革命性变革：新研究将结构与反应性能联系起来 一个研究小组推出了一个新的研究框架，简化了对催化剂结构如何影响其反应的理解，这是在应对气候变化和实现可持续发展方面取得的一项重大进展。研究人员取得突破的详细情况发表在《Angewandte Chemie》杂志上。了解催化剂表面如何影响其活性有助于设计出满足特定反应要求的高效催化剂结构。然而，鉴于电催化剂复杂的界面微环境，要掌握这种关系背后的机理并非易事。东北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）副教授、论文通讯作者李浩指出："为了破解这一难题，我们对氧化锡催化剂中的电化学二氧化碳还原反应（CO2RR）进行了深入研究。这样，我们不仅揭示了二氧化锡基催化剂在二氧化碳还原过程中的活性表面物种，还建立了表面物种与二氧化碳还原性能之间的明确相关性。"标准研究范式揭示了二氧化锡电化学二氧化碳还原反应（CO2RR）的结构-性能-活性关系。这幅图片说明了氧空位（1/1 ML 覆盖率）和表面活性物种（锡层）引起的表面重构，它们对选择性 HCOOH 的产生负有责任。CO2RR 被认为是减少二氧化碳排放和生产高价值燃料的一种可行方法，其中甲酸（HCOOH）因其在制药、冶金和环境修复等行业的广泛应用而成为一种值得关注的产品。所提出的方法有助于确定二氧化锡在特定电催化条件下进行二氧化碳还原反应的真正表面状态。此外，研究小组还通过使用不同形状的二氧化锡和先进的表征技术进行实验，证实了他们的发现。李和他的同事将理论研究与实验电化学技术相结合，开发出了他们的方法。"我们弥合了理论与实验之间的差距，提供了对催化剂在实际工艺条件下行为的全面了解，"李补充道。研究小组目前正致力于将这种方法应用于各种电化学反应。在此过程中，他们希望能发现更多独特的结构-活性相关性，从而加快高性能和可扩展电催化剂的设计。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：