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目前，鈣鈦礦材料在科研界引起了一波研究熱潮，有大量優秀的文獻對其進行了報道，其應用領域也十分廣泛，究其原因：

1）鈣鈦礦材料在太陽能電池上性能中具有決定性的影響力；

2）鈣鈦礦材料也被用于光電轉化，電催化，LED等各種領域；

今日，1篇Science，3篇Nature子刊均出現了關于鈣鈦礦的報道，小編帶你一起閱讀最新的優秀論文~

1.Nature：具有寬域溫度的p-i-n鈣鈦礦太陽能電池

一般情況下，基于常規的n-i-p架構，單結鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）報告的最高功率轉換效率（PCE）大于25%。然而，倒置p-i-n PSC具有幾個優點，包括源自非摻雜空穴傳輸材料的低溫加工性和長期操作穩定性。盡管如此，它們的PCE較低，這種較低的性能主要與非輻射復合損耗和電荷提取減少有關，這源于鈣鈦礦體相和界面接觸中的高密度缺陷。

對于實際應用，環境溫度變化會限制PSC性能，鈣鈦礦會經歷嚴重的離子遷移、相變和溫度誘導應變，從而導致較低的PCE。因此，開發具有熱循環穩定性的高效PSC對于推進其應用至關重要。

在此，德國亥姆霍茲柏林材料與能源中心Antonio?Abate教授，李萌博士和Luyao Wang（共同通訊作者）使用聚合物偶極子優化三元陽離子鹵化物鈣鈦礦Cs_0.05(FA_0.98MA_0.02)_0.95Pb(I_0.98Br_0.02)₃薄膜的體相和表面。

其中，聚合物偶極子通過降低黑色光活性相的形成能促進了低缺陷晶膜的生長，鈣鈦礦表面偶極子的形成抑制了離子遷移，促進了界面電荷提取，同時增強了疏水性。

實驗結果表明，在9.6 mm²的有效面積上實現了24.2%的認證PCE，實驗室記錄的PCE在18 mm²以上為 24.6%，1 cm²為23.1%。更加重要的是，高PCE在嚴重的熱循環（120個循環，從-60到+80℃）下穩定性較高，證明了晶體結構對溫度誘導應變的彈性。

相關論文以“Highly efficient p-i-n perovskite solar cells that endure temperature variations”為題發表在Nature。赫姆霍茲材料與能源中心博士生李桂香和中國科學院上海高等研究所蘇圳煌博士為文章共同第一作者。

圖1. 鈣鈦礦薄膜的工作機理及形貌表征

Li, G., Su Z., Canil L. et al.?Highly efficient p-i-n perovskite solar cells that endure temperature variations.?Nat. (2023). https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7331

2.Nature Nanotechnology：軟晶格鹵化鉛鈣鈦礦中光載流子誘導的持久結構極化

鹵化鉛鈣鈦礦在各種光電子學中的成功應用，激發了人們對其基本光載流子動力學的極大興趣。

在此，美國加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授和加州大學圣克魯茲分校平遠教授（共同通訊作者）發現了鹵化鉛鈣鈦礦中光載流子誘導的持久性結構極化和局部鐵電性。在10K時薄膜單晶CsPbBr₃的光導研究表明，其具有超過10⁶s的超長光載流子壽命，顯示出持久的持續光導。

X射線衍射（XRD）研究表明，光載流子誘導的結構偏振的存在溫度達到臨界凍結溫度。低溫下的光電電容研究進一步證明了在增加照明下，從線性電介質到順電和松弛鐵電體的系統局部相變。同時，本文的理論研究強調了光載流子-聲子耦合和大極化子形成在驅動局部弛豫鐵電相變中的關鍵作用。

研究結果表明，這種光載流子誘導的持續結構極化能夠在低溫下形成鐵電納米域，從而抑制載流子重構，并為探索有趣的載流子-聲子相互作用和豐富的極化子光物理學提供了可能性。

相關論文以“Photocarrier-induced persistent structural polarization in soft-lattice lead halide perovskites”為題發表在Nature Nanotechnology。

圖2. 傳統和鐵電大極化子的區別

Qian, Q., Wan, Z., Takenaka, H.?et al.?Photocarrier-induced persistent structural polarization in soft-lattice lead halide perovskites.?Nat. Nanotechnol.?(2023). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01306-x

3.Nature Energy：用于地面和太空的鈣鈦礦太陽能阻擋層

近地空間的太陽能裝機容量預計將在未來十年呈指數級增長，從目前的MWs級增長至GWs級。同時，隨著太空互聯網成為現實，SpaceX星鏈、亞馬遜的Project Kuiper和英國政府的OneWeb等項目計劃向近地軌道（LEO）發射總計10萬顆衛星。

利用太空太陽能并將其發射到地球，通過在高橢圓軌道上安裝太空太陽能電池來為電網供電的興趣也在增加。因此，需要一種低成本的輕質太陽能技術，該技術能夠抵御包括輻射、熱循環、原子氧和高真空在內的挑戰，金屬鹵化物鈣鈦礦是一種潛在的下一代空間光伏（PV）技術。

在此，美國國家可再生能源實驗室Joseph M. Luther教授和Ahmad R. Kirmani教授（共同通訊作者）介紹了一種用于鈣鈦礦太陽能電池在工業上可行的金屬氧化物阻擋層技術，同時選擇了氧化硅（SiO_x）來證明這一概念，其成本低且易于通過熱蒸發沉積。

質子-鈣鈦礦相互作用的理論模擬表明，最佳厚度為1μm，以完全阻斷~0.05 MeV能量范圍內最具破壞性的低能質子。研究表明，這種低能量范圍內的質子在空間中含量高，可以在整個微米厚的鈣鈦礦器件中相互作用。

實驗結果表明，SiO_x被發現可以提高輻射耐受性，使得太陽能電池暴露在10¹⁵ cm^-2和 0.05 MeV質子的通量下沒有受到傷害。

此外，SiO_x還發現可以通過抑制照射時揮發性化學物質的滲出，來保護太陽能電池免受穿透屏障層的高能量質子和α粒子的影響。SiO_x暴露在紫外線臭氧（UVO）處理期間，從而將電池封頂到原子氧上，使得初始功率轉換效率（PCE）沒有變化。

有趣的是，還發現SiO_x屏障能夠提高太陽能電池對陸地壓力源（水分和極性溶劑）的彈性，其用途比最初設想的要廣泛。與傳統的玻璃封裝膠相比，氧化物阻擋技術使太陽能電池陣列重量減輕了99%，將太陽能電池的比功率從134 W kg^-1提高到277 W kg^-1，將封裝劑成本降低了99.97%，并將有利于鈣鈦礦光伏的空間和地面同時使用。

相關論文以“Metal oxide barrier layers for terrestrial and space perovskite photovoltaics”為題發表在Nature Energy。

圖3. SiO_x作為一種輻射屏障

Kirmani, A.R., Ostrowski, D.P., VanSant, K.T.?et al.?Metal oxide barrier layers for terrestrial and space perovskite photovoltaics.?Nat Energy?(2023). https://doi.org/10.1038/s41560-022-01189-1

4.Nature Materials：混合金屬鹵化物鈣鈦礦半導體中的電荷傳輸

金屬鹵化物鈣鈦礦已成為過去十年中最令人興奮的新興半導體技術之一，光伏功率轉換效率從2009年的3.8%到今天的 25.7%。光伏領域前所未有的發展也體現在其他新興應用中，包括發光二極管、激光器、光電探測器和輻射探測器。

由于室溫附近的不良離子遷移效應和偶極紊亂不穩定性，特別是在甲基銨和鉛基高性能三維鈣鈦礦中普遍存在，因此研究三維鹵化鉛鈣鈦礦固有的場驅動電荷傳輸行為在很大程度上仍然具有挑戰性。

在此，印度國家科學教育研究所Satyaprasad P. Senanayak?教授和英國劍橋大學卡文迪許實驗室Henning Sirringhaus教授，Samuel?D.?Stranks教授（共同通訊作者）通過探索混合甲酰胺-銫（FA-Cs）金屬鹵化物鈣鈦礦中的Pb-Sn合金化來應對這些挑戰，這些器件表現出近乎理想的場效應晶體管（FET）性能和可調的p型遷移率，從而能夠探測這類鈣鈦礦中固有的電荷傳輸機制。

對于最佳的混合成分Cs_0.15FA_0.85Pb_0.5Sn_0.5I₃，作者在室溫下實現了5.4 cm² V^-1 s^-1的高空穴遷移率，這也是三維鈣鈦礦薄膜FET中報道的最高的p型場效應遷移率之一。

此外，通過結合與溫度相關的輸運測量和偏置下的光致發光（PL）顯微鏡，證明了添加Sn抑制的離子遷移，并將這些發現與混合金屬基鈣鈦礦器件的高遷移率和操作穩定性相關聯。與純Sn鈣鈦礦相比，其表現出更高的環境穩定性，并且正在積極開發用于光電應用，包括全鈣鈦礦串聯太陽能電池和近紅外LED。

相關論文以“Charge transport in mixed metal halide perovskite semiconductors”為題發表在Nature Materials。

圖4. 鈣鈦礦中離子的橫向遷移

Senanayak, S.P., Dey, K., Shivanna, R. et al. Charge transport in mixed metal halide perovskite semiconductors. Nat. Mater. (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01448-2

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