一天两篇《Science》!我国取得两项重要成果!

2019-01-21 10:35 来源:材料科学与工程微信公众号

  1月18日,《Science》发表了两篇来自我国学者的研究成果。分别是:北京大学周欢萍组、严纯华院士组在钙钛矿太阳能电池稳定性研究上的重要合作进展;中国科学技术大学潘建伟院士、赵博等利用超冷原子分子量子模拟在化学物理研究中取得重大突破!

  1、北京大学 钙钛矿太阳能电池重要进展

  长期稳定性是钙钛矿太阳能电池商业化进程中面临的最重要的问题,其中钙钛矿材料的本征性蜕变产生零价铅、碘缺陷的问题严重制约着器件寿命。北京大学工学院周欢萍研究员课题组、化学与分子工程学院严纯华院士课题组合作提出一种新的机制,即在钙钛矿活性层中引入具有氧化还原活性的Eu3+-Eu2+的离子对,实现了全寿命周期内的本征缺陷的消除,从而大大提升了电池的长期稳定性。相关研究于2019年1月18日在国际顶级学术期刊《科学》(Science)上发表。

  钙钛矿太阳能电池器件寿命随着封装技术的发展而提升。但是正常工况下的光照、电场和热辐射都会不可避免地引发材料本征性的蜕化行为,尤其是钙钛矿中的I–和Pb2+。这种温和但又切实存在的日积月累的蜕化行为不可逆转,可能是钙钛矿材料最为棘手的问题,成为实现器件长期稳定性的最大障碍之一。针对上述的本征性蜕化问题,周欢萍和严纯华课题组合作,提出了一种全新的机制,即通过在钙钛矿活性层中引入Eu3+/Eu2+的氧化还原离子对。该离子对可同时消除Pb0和I0缺陷,并在器件的使用寿命期间内循环发挥作用。基于此氧化还原离子对的引入,电池的初始效率得到提升,特别是其长期稳定性得到显著提升。在该循环氧化还原转变过程中,Pb0缺陷可被Eu3+氧化成Pb2+ (2Eu3+ + Pb0 → 2Eu2+ + Pb2+),而I0缺陷可被生成的Eu2+还原成I?( Eu2+ + I0 → Eu3+ + I– )。

  有趣的是,由于Eu3+/Eu2+自身是非挥发性的,且难以变成其他价态,该离子对在器件使用过程中没有明显消耗。对应器件的最高效率达到了21.52%(认证值为20.52%),且没有明显的迟滞现象。同时,引入Eu3+/Eu2+离子对的器件表现出优异的热稳定性和光稳定性,在一个太阳的连续光照射或85 °C加热1000小时后,器件仍可分别保持原有效率的91%和89%,在最大功率点处连续工作500小时后可以保持原有效率的91%。该方法解决了铅卤钙钛矿太阳能电池中限制其稳定性的一个重要的本质性因素,可推广至其他的钙钛矿光电器件,且该方法对于其他面临类似问题的无机半导体器件也具有重要参考意义。

  该论文的第一作者是严纯华课题组和周欢萍课题组联合培养的2014级博士生王立刚。周欢萍特聘研究员、严纯华院士和孙聆东教授为共同通讯作者。合作者还包括香港科技大学黄博龙课题组和北京理工大学陈棋课题组等。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金、北京市科委、北京分子科学国家研究中心、先进电池材料理论与技术北京市重点实验室等的联合资助。

  2、中科大 超冷原子分子量子模拟重大突破

  中国科学技术大学潘建伟、赵博等利用超冷原子分子量子模拟在化学物理研究中取得重大突破:他们通过对磁场的精确调控首次在实验上观测到超低温度下基态分子与原子之间的散射共振,向基于超冷原子分子的超冷量子化学研究迈进了重要一步。1月18日,这一重要研究成果发表在国际权威学术期刊《科学》上。

  当前,量子计算的短期目标是通过发展专用型量子计算机,即专用量子模拟机,能够在某些特定的问题上解决现有经典计算机无法解决的问题。例如,超冷原子分子量子模拟,利用高度可控的超冷量子系统来模拟复杂的难于计算的物理系统,可以对复杂系统进行细致和全方位的研究,从而在化学反应和新型材料设计中具有广泛的应用前景。

  近年来,随着超冷原子分子技术的发展,完全可控的超冷基态分子可以从接近绝对零度的原子气中被制备出来。自2008年美国科学院院士黛博拉·金(Deborah Jin)和叶军(Jun Ye)的联合实验小组制备了铷钾超冷分子以来,多种碱金属原子的双原子分子先后在其他实验室中被制备出来。但由于这种大质量多电子分子体系的散射共振无法在理论上进行预测,十多年来观测超冷分子的散射共振一直是该研究领域在实验上的重大挑战。

  在该项研究中,中国科学技术大学的研究团队首次成功观测到了超低温下钠钾基态分子和钾原子间的散射共振。在实验中,他们从温度为几百纳开的超冷钠和钾原子混合气出发,制备出处于不同超精细态的钠钾振转基态分子,并将之与处于不同内态的钾原子相混合。在此基础上,通过精密的调节磁场来精确地调控原子分子散射态和三体束缚态的能量差,成功地在分子损失谱上观测到了超低温下钠钾基态分子和钾原子间的一系列散射共振峰。这些散射共振提供了对含有高达49个电子的钾-钠-钾三原子分子复杂体系势能面的超高精度测量,成功获取了势能面在短程部分的重要信息。

  该工作得到《科学》审稿人的高度评价:“这是一个非常重要的和令人振奋的工作,虽然超冷分子已经被制备出来,却从没有分子散射共振被报道过”、“当前超冷化学研究的主要困难在于势能面的短程部分的信息无法从以往的实验中获取。从这种意义上说,这一工作改变了超冷极性分子和超冷物理化学的游戏规则”;“这一工作是当前原子分子物理研究的亮点,具有非常重要的意义”。该研究工作得到了中科院、科技部、自然科学基金委和安徽省的支持。

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一天两篇《Science》!我国取得两项重要成果!

材料科学与工程微信公众号 责任编辑:姚琳 2019/01/21

  1月18日,《Science》发表了两篇来自我国学者的研究成果。分别是:北京大学周欢萍组、严纯华院士组在钙钛矿太阳能电池稳定性研究上的重要合作进展;中国科学技术大学潘建伟院士、赵博等利用超冷原子分子量子模拟在化学物理研究中取得重大突破!

  1、北京大学 钙钛矿太阳能电池重要进展

  长期稳定性是钙钛矿太阳能电池商业化进程中面临的最重要的问题,其中钙钛矿材料的本征性蜕变产生零价铅、碘缺陷的问题严重制约着器件寿命。北京大学工学院周欢萍研究员课题组、化学与分子工程学院严纯华院士课题组合作提出一种新的机制,即在钙钛矿活性层中引入具有氧化还原活性的Eu3+-Eu2+的离子对,实现了全寿命周期内的本征缺陷的消除,从而大大提升了电池的长期稳定性。相关研究于2019年1月18日在国际顶级学术期刊《科学》(Science)上发表。

  钙钛矿太阳能电池器件寿命随着封装技术的发展而提升。但是正常工况下的光照、电场和热辐射都会不可避免地引发材料本征性的蜕化行为,尤其是钙钛矿中的I–和Pb2+。这种温和但又切实存在的日积月累的蜕化行为不可逆转,可能是钙钛矿材料最为棘手的问题,成为实现器件长期稳定性的最大障碍之一。针对上述的本征性蜕化问题,周欢萍和严纯华课题组合作,提出了一种全新的机制,即通过在钙钛矿活性层中引入Eu3+/Eu2+的氧化还原离子对。该离子对可同时消除Pb0和I0缺陷,并在器件的使用寿命期间内循环发挥作用。基于此氧化还原离子对的引入,电池的初始效率得到提升,特别是其长期稳定性得到显著提升。在该循环氧化还原转变过程中,Pb0缺陷可被Eu3+氧化成Pb2+ (2Eu3+ + Pb0 → 2Eu2+ + Pb2+),而I0缺陷可被生成的Eu2+还原成I?( Eu2+ + I0 → Eu3+ + I– )。

  有趣的是,由于Eu3+/Eu2+自身是非挥发性的,且难以变成其他价态,该离子对在器件使用过程中没有明显消耗。对应器件的最高效率达到了21.52%(认证值为20.52%),且没有明显的迟滞现象。同时,引入Eu3+/Eu2+离子对的器件表现出优异的热稳定性和光稳定性,在一个太阳的连续光照射或85 °C加热1000小时后,器件仍可分别保持原有效率的91%和89%,在最大功率点处连续工作500小时后可以保持原有效率的91%。该方法解决了铅卤钙钛矿太阳能电池中限制其稳定性的一个重要的本质性因素,可推广至其他的钙钛矿光电器件,且该方法对于其他面临类似问题的无机半导体器件也具有重要参考意义。

  该论文的第一作者是严纯华课题组和周欢萍课题组联合培养的2014级博士生王立刚。周欢萍特聘研究员、严纯华院士和孙聆东教授为共同通讯作者。合作者还包括香港科技大学黄博龙课题组和北京理工大学陈棋课题组等。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金、北京市科委、北京分子科学国家研究中心、先进电池材料理论与技术北京市重点实验室等的联合资助。

  2、中科大 超冷原子分子量子模拟重大突破

  中国科学技术大学潘建伟、赵博等利用超冷原子分子量子模拟在化学物理研究中取得重大突破:他们通过对磁场的精确调控首次在实验上观测到超低温度下基态分子与原子之间的散射共振,向基于超冷原子分子的超冷量子化学研究迈进了重要一步。1月18日,这一重要研究成果发表在国际权威学术期刊《科学》上。

  当前,量子计算的短期目标是通过发展专用型量子计算机,即专用量子模拟机,能够在某些特定的问题上解决现有经典计算机无法解决的问题。例如,超冷原子分子量子模拟,利用高度可控的超冷量子系统来模拟复杂的难于计算的物理系统,可以对复杂系统进行细致和全方位的研究,从而在化学反应和新型材料设计中具有广泛的应用前景。

  近年来,随着超冷原子分子技术的发展,完全可控的超冷基态分子可以从接近绝对零度的原子气中被制备出来。自2008年美国科学院院士黛博拉·金(Deborah Jin)和叶军(Jun Ye)的联合实验小组制备了铷钾超冷分子以来,多种碱金属原子的双原子分子先后在其他实验室中被制备出来。但由于这种大质量多电子分子体系的散射共振无法在理论上进行预测,十多年来观测超冷分子的散射共振一直是该研究领域在实验上的重大挑战。

  在该项研究中,中国科学技术大学的研究团队首次成功观测到了超低温下钠钾基态分子和钾原子间的散射共振。在实验中,他们从温度为几百纳开的超冷钠和钾原子混合气出发,制备出处于不同超精细态的钠钾振转基态分子,并将之与处于不同内态的钾原子相混合。在此基础上,通过精密的调节磁场来精确地调控原子分子散射态和三体束缚态的能量差,成功地在分子损失谱上观测到了超低温下钠钾基态分子和钾原子间的一系列散射共振峰。这些散射共振提供了对含有高达49个电子的钾-钠-钾三原子分子复杂体系势能面的超高精度测量,成功获取了势能面在短程部分的重要信息。

  该工作得到《科学》审稿人的高度评价:“这是一个非常重要的和令人振奋的工作,虽然超冷分子已经被制备出来,却从没有分子散射共振被报道过”、“当前超冷化学研究的主要困难在于势能面的短程部分的信息无法从以往的实验中获取。从这种意义上说,这一工作改变了超冷极性分子和超冷物理化学的游戏规则”;“这一工作是当前原子分子物理研究的亮点,具有非常重要的意义”。该研究工作得到了中科院、科技部、自然科学基金委和安徽省的支持。

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