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

科学家发现新型锂离子导体 可用于强化电动汽车电池

科学家发现新型锂离子导体可用于强化电动汽车电池利物浦大学的一个团队开发出了一种新型固态锂离子导体，可以取代电池中的液态电解质，从而提高安全性和效率。图片表示锂离子（蓝色）在结构上移动。资料来源：利物浦大学这种新材料由无毒的地球富集元素组成，具有足够高的锂离子传导性，可以取代目前锂离子电池技术中的液态电解质，提高安全性和能量容量。该大学的跨学科研究团队采用变革性科学方法来设计这种材料，他们在实验室中合成了这种材料，确定了它的结构（原子在空间中的排列），并在电池中进行了演示。这种新材料是极少数能达到足以取代液态电解质的高锂离子电导率的固体材料之一，并且由于其结构而能以一种新的方式工作。这一发现是通过合作计算和实验工作流程实现的，该流程利用人工智能和基于物理学的计算来支持大学化学专家的决策。这种新材料为化学优化提供了一个平台，以进一步提高材料本身的性能，并根据研究提供的新认识来确定其他材料。利物浦大学化学系马特-罗森斯基（MattRosseinsky）教授说："这项研究展示了一种新型功能材料的设计和发现。这种材料的结构改变了人们以往对高性能固态电解质的理解。具体来说，具有多种不同移动离子环境的固体可以表现出很好的性能，而不仅仅是离子环境范围很窄的少数固体。这极大地开拓了进一步发现的化学空间。"最近的报道和媒体报道预示着人工智能工具已被用于寻找潜在的新材料。在这种情况下，人工智能工具是独立工作的，因此很可能会以各种方式重现它们接受过的训练，生成的材料可能与已知材料非常相似。"这篇发现研究论文表明，人工智能和由专家调配的计算机可以解决现实世界材料发现的复杂问题，在这个问题上，我们寻求的是成分和结构上有意义的差异，其对性能的影响要根据理解来评估，我们的颠覆性设计方法为发现这些以及其他依赖离子在固体中快速运动的高性能材料提供了一条新的途径"。这项研究由利物浦大学化学系、材料创新工厂、利弗胡尔姆功能材料设计研究中心、史蒂芬森可再生能源研究所、阿尔伯特-克鲁中心和工程学院的研究人员共同努力完成。并得到了工程与物理科学研究理事会（EPSRC）、勒弗胡尔姆信托基金会（LeverhulmeTrust）和法拉第研究所（FaradayInstitution）的资助。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1420615.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1420615.htm

离子电子学的突破：用于改进电池和先进计算的单晶薄膜设备诞生

离子电子学的突破：用于改进电池和先进计算的单晶薄膜设备诞生锂离子沿着T-Nb2O5薄膜的二维垂直通道快速迁移，导致了巨大的绝缘体-金属转变。蓝色和紫色多面体分别表示非锂化和锂化T-Nb2O5晶格。亮绿色球体代表锂离子。资料来源：微结构物理研究所，PatriciaBondia自20世纪40年代以来，科学家们一直在研究氧化铌，特别是一种被称为T-Nb2O5的氧化铌，在提高电池效率方面的潜力。这种独特的材料具有快速促进锂离子运动的能力，而锂离子是电池功能不可或缺的带电粒子。锂离子移动速度越快，电池充电速度就越快。然而，将这种氧化铌材料培育成可用于实际应用的高质量薄膜一直是一个巨大的挑战。这是因为T-Nb2O的结构复杂，而且存在多种类似的氧化铌形态或多晶体。HyeonHan和StuartParkin在马克斯-普朗克微结构物理研究所的脉冲激光沉积系统（帕斯卡尔有限公司，日本茨城）前。资料来源：微结构物理研究所，EricGeißler现在，来自马克斯-普朗克微结构物理研究所、剑桥大学和宾夕法尼亚大学的研究人员在7月27日发表在《自然-材料》（NatureMaterials）杂志上的一篇论文中，成功地展示了高质量T-Nb2O5单晶薄膜的生长过程，这种薄膜的排列方式使得锂离子可以沿着垂直离子传输通道以更快的速度移动。观察结果和影响T-Nb2O5薄膜在锂插入初始绝缘薄膜的早期阶段就发生了显著的电性变化。这是一个巨大的变化--材料的电阻率降低了1000亿倍。研究小组通过改变"栅极"电极（一种控制设备中离子流动的元件）的化学成分，进一步展示了薄膜设备的可调式低压运行，从而进一步拓展了其潜在应用领域。马克斯-普朗克微结构物理研究所小组实现了单晶T-Nb2O5薄膜的生长，并展示了锂离子插层如何显著提高其导电能力。他们与剑桥大学的研究小组一起发现，随着锂离子浓度的变化，材料结构中出现了多种以前未知的转变。这些转变改变了材料的电子特性，使其从绝缘体转变为金属，即从阻挡电流转变为传导电流。宾夕法尼亚大学的研究人员合理解释了他们观察到的多种相变，以及这些相变可能与锂离子的浓度及其在晶体结构中的排列有什么关系。合作与未来展望这项研究的成功离不开三个国际小组的通力合作，每个小组都贡献了自己独特的专业知识：马克斯-普朗克微结构物理研究所的薄膜、剑桥大学的电池以及宾夕法尼亚大学的理论见解。第一作者、马克斯-普朗克微结构物理研究所的HyeonHan说："通过挖掘T-Nb2O5发生巨大绝缘体-金属转变的潜力，我们为下一代电子器件和储能解决方案的探索开辟了一条令人兴奋的道路。"宾夕法尼亚大学的安德鲁-拉佩（AndrewRappe）说："我们所做的就是找到了一种不破坏T-Nb2O5薄膜晶体结构的锂离子移动方式，这意味着离子移动速度可以大大加快。这种巨大的转变带来了一系列潜在的应用，从高速计算到节能照明等等。"剑桥大学的克莱尔-格雷（ClareP.Grey）评论说："控制这些薄膜取向的能力使我们能够探索这一类具有重要技术意义的材料的各向异性传输，这对我们了解这些材料的运行方式至关重要。"马克斯-普朗克微结构物理研究所的斯图尔特-帕金（StuartS.P.Parkin）说："这项研究证明了跨学科实验-理论合作的力量以及永不满足的科学好奇心。我们对T-Nb2O5和类似复杂材料的理解得到了大幅提升，我们希望通过利用非常有趣的离子电子学领域，超越当今基于电荷的电子学，从而实现更加可持续和高效的未来。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376791.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376791.htm

科学家开发出需要稀有材料更少的电池 充电更快、寿命更长

科学家开发出需要稀有材料更少的电池充电更快、寿命更长研究人员通过开发快速充电功能和使用有机材料增强负极，减少了对稀有非欧洲材料的依赖，从而推动了纳离子电池技术的发展。此外，他们还改进了阴极，创造出一种高能量、快速充电、无钴的材料，这种材料在使用过程中会逐渐发生结构变化，因此寿命更长。资料来源：代尔夫特理工大学这些电极可由有机材料制成，这减少了对并非来自欧洲的稀有材料的依赖，优点在于阴极也得到了改进。代尔夫特的研究人员还改进了另一面，并发表了相关文章。这项研究最近发表在《自然-可持续性》杂志上。《用于钠离子电池的快充高压分层阴极》详细介绍了一种新型正极的开发情况，其设计原理源自他们于2020年发表在《科学》杂志上的论文。根据这些设计原则，我们设计了一种材料，它结合了两种可能的最佳结构：高能量密度与快速充电。此外，这种材料在充电和放电过程中会逐渐改变其结构，从而延长其使用寿命。此外，这种材料不含钴，而钴在锂离子阴极中仍然很常见。由于对这些电池材料的了解不断加深，第三个增长基金项目"可持续电池技术"的下一步工作已经准备就绪。在该项目中，除了锂离子电池研究外，还将在全国范围内开展纳离子电池研究。电池研究将进一步扩大，使这项技术能够应用于各国市场。参考文献：DOI:10.1038/s41893-024-01266-1编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1421389.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1421389.htm

日本东北大学开发岩盐氧化物阴极材料 适用于可充电镁电池

日本东北大学开发岩盐氧化物阴极材料适用于可充电镁电池这项研究表明，镁在岩盐结构中的扩散有了相当大的改善。这是一个关键性进展，因为以往这种结构中的原子密度会阻碍镁迁移。通过加入含有七种不同金属元素的重要混合物，该团队创建了富含稳定阳离子空位的晶体结构，使镁更易于嵌入和提取。这是首次将岩盐氧化物用作RMB阴极材料。研究人员采用了高熵策略，以促进阳离子缺陷激活岩盐氧化物阴极。这一进展还解决了RMB的一个关键问题，即镁在固体材料中传输困难。到目前为止，镁的迁移率在传统阴极材料中（如尖晶石结构材料）需要通过高温来提高。现在，这项研究开发的材料仅在90°C下就能有效工作，从而表明所需的工作温度明显降低。东北大学材料研究所（IMR）教授TomoyaKawaguchi指出，这项研究具有更广泛的影响。“锂资源稀缺且分布不均，而供应充足的镁为锂离子电池提供了更可持续、更具成本效益的替代品。借助新开发的阴极材料，镁电池将在各种应用中发挥关键作用，包括电网存储、电动汽车和便携式电子设备，为全球向可再生能源转型和减少碳排放做出贡献。”IMR另一位教授TetsuIchitsubo表示：“这项研究利用镁的内在优势，并突破了以前的材料局限性。这为开发下一代电池铺平了道路，有望产生重大的技术、环境和社会影响。”总之，在寻求高效、环保的储能解决方案方面，这一突破是向前迈出的重要一步。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1426516.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1426516.htm

改进电极材料MXene有望开辟可充电电池技术的未来

改进电极材料MXene有望开辟可充电电池技术的未来研究人员利用激光脉冲增强了MXene的电极特性，从而在可充电电池技术方面取得了潜在的突破，有望超越传统的锂离子电池。随着全球社会转向太阳能和风能等可再生能源，对高性能可充电电池的需求也在不断增加。这些电池对于储存来自间歇性可再生能源的能量至关重要。虽然当今的锂离子电池很有效，但仍有改进的余地。开发新的电极材料是提高其性能的方法之一。ZahraBayhan正在开发含有MXenes的电池，由于MXenes具有出色的导电性，它可以在某些电池中替代石墨。图片来源：©2023KAUST;AnastasiaSerinMXene：一种前景广阔的电极材料阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究人员展示了如何利用激光脉冲改变一种被称为MXene的前景广阔的替代电极材料的结构，从而提高其能量容量和其他关键性能。研究人员希望这一策略能有助于在下一代电池中设计出更好的阳极材料。石墨含有扁平的碳原子层，在电池充电过程中，锂原子会存储在这些碳原子层之间，这一过程被称为插层。MXenes也含有可容纳锂的层，但这些层是由过渡金属（如钛或钼）与碳或氮原子结合而成的，这使得这种材料具有很强的导电性。这些层的表面还含有氧或氟等其他原子。基于碳化钼的MXenes具有特别好的锂存储能力，但在反复充放电循环后，其性能很快就会下降。了解KAUST研究人员如何帮助开发新一代可充电电池。来源：©2023KAUST;AnastasiaSerin解决性能退化问题由HusamN.Alshareef和博士生ZahraBayhan领导的研究小组发现，这种降解是由MXene结构中形成氧化钼的化学变化引起的。为了解决这个问题，研究人员使用红外激光脉冲在MXene内形成碳化钼的小"纳米点"，这个过程被称为激光刻划。这些纳米点宽约10纳米，通过碳材料连接到MXene的层上。这样做有几个好处。首先，纳米点为锂提供了额外的存储容量，并加快了充放电过程。激光处理还降低了材料中的氧含量，有助于防止形成有问题的氧化钼。最后，纳米点与层之间的牢固连接提高了MXene的导电性，并在充放电过程中稳定了其结构。这为调整电池性能提供了一种经济、快速的方法。ZahraBayhan和HusamAlshareef教授认为，激光划线可以作为一种通用策略来改善其他MXenes的性能。图片来源：©2023KAUST;AnastasiaSerin有希望的结果和未来应用用这种激光刻划材料制作的阳极在锂离子电池中进行了1000次充放电循环测试。值得注意的是，与未改性的MXene相比，添加了纳米点的这种材料的蓄电能力提高了四倍，几乎达到了石墨的理论峰值容量。此外，这种激光改性材料在整个测试阶段都保持了其全部容量。研究小组认为，激光划线可作为一种通用策略，用于改善其他MXene的性能。这有助于开发新一代充电电池，例如使用比锂更便宜、更丰富的金属。Alshareef解释说："与石墨不同，MXenes还能夹杂钠离子和钾离子。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385677.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385677.htm