治疗钙钛矿;锂离子电池用硅阳极;血液中的电流。
治疗钙钛矿
来自剑桥大学、麻省理工学院、牛津大学、巴斯大学和代尔夫特理工大学的研究小组发现了一种方法修复钙钛矿太阳能电池的缺陷把它们暴露在光线和适当的湿度下。
虽然钙钛矿显示出低成本、高效光伏的前景，但晶体结构中的微小缺陷(称为陷阱)可能会导致电子在能量被利用之前被“卡住”。电子在太阳能电池材料中移动越容易，该材料将光子转化为电能的效率就越高。
在之前的一项研究中，研究人员发现，当钙钛矿暴露在照明下时，碘离子会从照明区域迁移出去，在这个过程中，该区域的大部分缺陷也会随之消失。然而，这些效果虽然很有希望，但只是暂时的，因为当光被移走时，离子会迁移回相似的位置。
在这项新研究中，该团队制作了一种基于钙钛矿的设备，使用与可伸缩卷对卷工艺兼容的技术进行打印，但在设备完成之前，他们将其暴露在光线、氧气和湿度中。钙钛矿通常在暴露于潮湿环境时开始降解，但研究小组发现，当湿度水平在40%至50%之间，且暴露时间限制在30分钟内时，不会发生降解。一旦曝光完成，剩余的层被沉积以完成设备。
光与水和氧分子的混合导致金属卤化物钙钛矿半导体的大量缺陷愈合。(资料来源:Matthew T. Klug博士)
当光线照射时，电子与氧结合，形成一种超氧化物，可以非常有效地结合电子陷阱，防止这些陷阱阻碍电子。在水的伴随存在下，钙钛矿表面也会转化为一层保护壳。外壳涂层去除了表面的陷阱，但也锁定了超氧化物，这意味着钙钛矿的性能改进现在是长期的。
剑桥卡文迪什实验室的Sam Stranks说:“这与直觉相反，但施加湿度和光照会使钙钛矿太阳能电池更发光，如果你想要高效的太阳能电池，这一特性是极其重要的。”“我们已经看到发光效率从1%增加到89%，我们认为我们可以一直把它提高到100%，这意味着我们可以没有电压损失——但还有很多工作要做。”
锂离子电池用硅阳极
冲绳科学技术研究所的研究人员设计了一种改进的锂离子电池阳极它使用硅而不是石墨。石墨通常用于绝缘锂离子，这提高了电池的安全性，但在结构上仅限于小规模。
硅比石墨有更大的电池容量。需要6个碳原子才能结合一个锂原子，但一个硅原子可以同时结合4个锂原子，使电池容量增加10倍以上。然而，能够捕获这么多的锂离子意味着阳极的体积会膨胀300%到400%，导致破裂和结构完整性的丧失。
为了克服这一问题，研究人员设计了一种建立在非结构硅薄膜层上的阳极，这些硅薄膜与金属钽纳米颗粒支架交替沉积，从而使硅被夹在钽框架中，防止物理坍塌。
“我们使用了一种叫做簇束沉积的技术，”OIST的科学家Marta Haro说。“所需的材料直接沉积在表面上，控制得很好。这是一种纯物理方法，不需要化学物质、催化剂或其他粘合剂。”
纳米结构钽(黑色)的多孔性使硅通道(蓝色)的形成使锂离子在电池内更快地移动。钽支架的刚性也限制了硅的膨胀，保持了结构的完整性。(来源:OIST纳米颗粒设计单位)
阳极提供更高的功率，但抑制膨胀，并具有良好的循环性-电池在失去效率之前可以充放电的循环次数。通过仔细观察硅的纳米结构层，科学家们意识到硅具有重要的颗粒状结构，其中锂离子可以以更快的速度移动，与非结构的非晶硅相比，这解释了功率的增加。同时，沿钽纳米颗粒支架的硅通道的存在允许锂离子在整个结构中扩散。另一方面，钽金属外壳在抑制膨胀、提高结构完整性的同时，也限制了整体容量。
该设计目前处于概念验证阶段，团队认为有机会在增加功率的同时提高容量。
哈洛博士说:“这是一种非常开放的综合方法，有很多参数可以选择。”“例如，我们想优化层数、层厚，用其他材料取代钽金属。”
血液中的电流
复旦大学的研究人员开发了一种轻量级的发电机基于碳纳米管纤维，当被流动的盐水溶液包围，甚至被血管中流动的血液包围时，可以产生电能。
为了构建“纤维状流体纳米发电机”(FFNG)，一排有序的碳纳米管被连续地包裹在一个聚合物芯上。碳纳米管具有电活性和机械稳定性，可以旋转和排列成片状。在制备好的电活性螺纹中，碳纳米管薄片以不到半微米的厚度包裹着纤维芯。
为了发电，FFNG连接到电极上，浸泡在流动的水中或反复浸入盐水溶液中。“电流来自于FFNG和溶液之间的相对运动，”科学家们说。根据该理论，在光纤周围产生了一个电双层，然后流动的溶液扭曲了对称的电荷分布，沿着长轴产生了一个电梯度。
(来源:彭慧生/复旦大学)
与其他类型的小型能量收集装置相比，该系统的功率输出效率较高。FFNG的功率转换效率达到23.3%，具有弹性、可调性、轻量化和一维性等优点。FFNG可以通过在弹性纤维衬底上旋转薄片来进行拉伸，并且在变形超过100万次循环后仍能保持性能。
该团队看到了将FFNG编织到织物中的潜力，以及从血液中收集电能用于医疗应用。
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