能源

非洲撒哈拉沙漠的大型風能和太陽能發電將增加降水和植被

北京師范大學地理科學學部李琰副教授與國內外科學家合作，通過動態植被的氣候模式進行數值模擬實驗，研究發現在非洲撒哈拉沙漠建立大規模風力和太陽能發電將有助于增加區域降水和植被，有利于區域氣候和生態環境。其中非洲撒哈拉沙漠的降雨量可增加一倍以上，在薩赫勒（Sahel）地區增加高達～500毫米/年，區域植被覆蓋度增加20%。研究成果發表于Science。論文指出，風電和太陽發電對區域氣候的影響是通過兩種不同機制來實現。風電和太陽能發電設施會改變地表特性，當規模足夠大時，可能會對區域氣候產生顯著影響。論文成果對于解決能源—水—食物系統的可持續性挑戰具有重要意義。

撒哈拉沙漠大規模風電和太陽能發電對降水影響的模擬（圖片來源于北京師范大學地理科學學部）

高效鈣鈦礦太陽能電池研究

北京大學物理學院俞大鵬院士領導的“納米結構與低維物理”研究團隊中，趙清教授與合作者以傳統兩步法為基礎，設計提出了鈣鈦礦籽晶誘導生長的兩步旋涂法，通過在碘化鉛薄膜中引入含銫鈣鈦礦籽晶，使籽晶提供后續鈣鈦礦生長的成核位點，引導高質量薄膜生長，解決兩步法中無機陽離子的有效摻雜問題。相關研究成果發表于Nature Communications。研究者通過籽晶誘導，可實現對成核和晶粒大小的精確調控，有效摻入無機Cs離子，器件的能量轉化效率提升至21.7%。同時，器件在AM1.5G太陽光下持續工作140小時后，仍然保持超過60%的初始效率，遠優于傳統兩步法數小時的穩定性。

三元有機太陽能電池活性層形貌控制

中國科學院化學研究所有機固體重點實驗室研究員朱曉張課題組科研人員利用前期發展的噻吩并噻吩類光伏受體新材料NITI，合理選擇二元體系，構筑了具有“分級結構”的三元活性層形貌，實現了光電轉化效率的大幅提升，闡釋了形貌對光電過程和器件參數的決定性影響，相關論文發表于Nature Energy。三元有機太陽能電池保持單節電池結構，在二元活性層中引入吸收互補的第三組分，增強光譜吸收。盡管三元電池取得了一定成功，但面臨著嚴峻的挑戰，其核心問題在于對三元共混薄膜難以實現清晰、有效的形貌控制，用以同時保證高效的激子解離和電荷傳輸。

層狀氮化物中電場誘導的穩態超導電性研究

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心超導國家重點實驗室SC10組陳根富研究員等在層狀氮化物MNCl（M： Hf， Zr）的電場調控研究中取得進展，實現了電場誘導的永久超導電性，并對其機制進行了全面和深入的研究。研究論文發表于Chinese Physics Letters。近年來，利用離子液體作為電介質進行電場調控物性的研究引起了凝聚態物理領域的極大關注，其中電荷雙層三極管成為一種典型的電場調控工具。電場誘發的部分Cl離子空位會對體系產生電子摻雜，并最終形成不可逆的穩態超導轉變。這為在具有類似結構的低維化合物中探索和研究超導電性提供了新的實驗思路和視野。

水溶液實現鐵電極化的“活字印刷”

北京師范大學張金星教授課題組與清華大學、中國科學院物理研究所、北京理工大學和賓州州立大學合作，探索了無鉛鐵電材料（鐵酸鉍）與水溶液（普適的化學溶劑和生命之源）的界面物理和化學行為，發現不同鐵電極化表面可以有選擇性地誘導界面化學反應和離子成鍵，幫助有效構建固—液界面結構。研究論文發表于Nature Communication。不同于傳統的控制方法如電場、機械力等，全水溶液原位可逆翻轉鐵電極化不需要消耗化石能源，實現了電極化翻轉的綠色調控。此工作以中國書法藝術《蘭亭序》中的“水“字為例，展示了對鐵電極化大面積、低成本的“活字印刷”技術。

鐵電極性表面選擇性離子成鍵，以及伴隨的鐵電材料體極化在微納尺度的“活字印刷”。（圖片來源于北京師范大學黨委宣傳部新聞中心）

我國實現火力發電增長與用水脫鉤

同濟大學經濟與管理學院張超副教授與學者合作，發現海河流域大部分地區火電水資源壓力指數明顯下降，而西北大型煤電基地所處匯水區的壓力指數則顯著上升，為此建議西北地區煤電基地開發應實行“取水總量控制”措施，研究論文發表于Nature Energy。我國擁有世界上規模最大的火力發電裝機，研究首次建立了我國長時間序列高分辨率火力發電用水地理信息數據庫，揭示了2000至2015年間火電取水、耗水及其水資源壓力的時空格局演變過程，定量評估了多種影響因素對火力發電水資源利用效率提升的貢獻。該研究對我國制定合理的水資源管理政策和電力工業發展政策均具有借鑒意義。

原位探測鋰電池層狀材料制備過程結構演化的研究

北京大學深研院新材料學院潘鋒教授課題組和美國Brookhaven國家實驗室王峰教授課題組合作，揭示了高Ni層狀材料結構無序的合成起源，為合成過程中降低甚至消除結構無序提供了理論指導，有望顯著提升富鎳材料的實際容量及能量密度。研究論文發表于Journal of American Chemical Society。鋰離子電池（LIB）在便攜式電子設備、電動車等領域有著廣泛的用途。富Ni層狀氧化物正極材料，由于能量密度高、成本低等特點，已成為最有應用前景的下一代LIB正極材料之一。然而，隨著層狀材料中Ni含量的增加，產生了許多相關的問題，如實際容量和理論容量相差大、熱穩定性低、循環穩定性差等。

共價有機框架材料太陽能轉化電化學能研究

中國科學院福建物質結構研究所王要兵課題組和袁大強課題組報道了一種利用同時具有光吸收和可逆電化學能量存儲的雙功能材料，直接將太陽能轉化為電化學能的新方法。科研成果發表于Angewandte Chemie International Edition。將太陽能存儲在電化學儲能器件中，是解決太陽能間歇性供應，實現其廣泛應用的有效方法。該研究以同時具有可逆電化學反應和分子內電荷轉移協同作用的雙功能陰極材料為基礎，設計了一種新型的太陽能—電化學能量轉換/存儲系統，實現了對太陽能的有效利用。為替代集成的太陽能電池和電池系統提供了新的思路。