德国

致力提高太阳能电池效率

研发高强轻质和生物材料

◎科技日报驻德国记者  李山

　　2024年，德国在新材料领域取得诸多进展，这些材料在能源、汽车、航空航天和医疗保健等各个领域具有广泛应用前景。

　　在能源材料领域，德国成功研发出效率达31.6%的钙钛矿硅基叠层太阳能电池，并不断改进钙钛矿材料的制造工艺和稳定性，希望早日实现商业化。对下一代电池，特别是锂硫电池和固态电池，德国科学家努力探索新的电解质材料和纳米结构，以提高电池的效率、安全性和使用寿命。于利希研究中心成功研发出一种概念固态电池，可在一小时内完成充电。

　　在轻质材料方面，科学家专注于开发碳纤维增强聚合物和其他具有高强度重量比的复合材料，积极推进高性能金属合金领域的研究，特别是用于航空航天的铝合金和钛合金。例如研究人员利用一种新的金属材料制备方法，开发出具有超高强度的轻质新材料，其中80%以上是空隙，但强度极高，未来有望应用于汽车、飞机等领域。此外，研究人员以最佳方式将铜、银和氧化钇组合在一起，开发出用于3D打印的新型复合粉末。

　　在生物材料方面，研究人员继续探索能够封装药物并以受控方式释放药物的纳米材料，以及用于组织工程的可生物降解聚合物和水凝胶等。德累斯顿工业大学利用叶片的准分形木质纤维素结构，制造出可生物降解的聚合物薄膜，这一成果有助于研发可生物降解的电路板。

　　其他方面，德国科学家还研发出基于石墨烯的生物传感器，未来可用于医学诊断；开发出具有新颖拉伸特性的材料，可以在测量力或监测静力学方面得到应用；研发出用于智能皮肤的扁平超表面天线，使机器人能够更准确地扫描近场环境；开发出一种前所未有的二维材料铍氮烯，有望在量子技术领域得到应用；研发出控制稀土材料磁性的新方法；制造出基于可再生原材料和生物残留物的生物基黏合剂，以及利用农业废料生产的塑料替代材料。

韩国

合成高效析氧催化剂

研发新型太阳能电池　　

◎科技日报驻韩国记者 薛严

　　2024年，电池催化剂成为韩国材料领域的研究重点，相关成果显示出提升电池性能的较大潜力，部分甚至打破了国际纪录。

　　通过水裂解反应将水还原成氢分子，是应对全球能源挑战、解决化学储能难题的关键方法之一。然而，低催化性能、缓慢的反应速度以及催化剂解聚等问题，是目前所面临的主要挑战。东国大学研究团队将钌氧化物植入二维碳化钼，合成了一种高效析氧反应催化剂，可用于水裂解反应，生产燃料电池所需氢。这种催化剂显示出较高的活性、反应速度和耐久性，为大规模低成本生产下一代催化剂提供了可能。

　　韩国能源技术研究院团队研发出具有高效率水平的半透明钙钛矿太阳能电池。科研团队通过向太阳能电池中添加锂离子来提高电池中空穴传输层的电导率，并通过优化空穴传输层的锂离子氧化时间，使其转化为稳定的氧化锂，从而阻止锂离子扩散，提高器件稳定性。该电池效率达到21.68%，创造了半透明太阳能电池领域的最高纪录，且在运行超过240小时后，与初始效率相比仍保持超99%的效率，表现出优异的稳定性。

　　韩国能源研究院氢气聚合材料实验室与韩国科学技术院、釜山大学共同开发出一种催化剂涂层技术。该技术可以快速大幅提高固体氧化物燃料电池的性能。研究团队阐明了涂层纳米催化剂促进表面氧交换和离子传导的机理，为催化剂包覆法解决复合电极反应速率低的问题提供了基础证据。

　　中国

　　刷新全钙钛矿光伏电池

　　光电转化效率世界纪录

　　◎新华社记者  陈席元

　　2024年，经国际第三方权威机构测试，由南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授课题组制备的大面积全钙钛矿叠层光伏电池，光电转化效率达28.2%，刷新该尺寸的世界纪录。相关研究论文发表在国际学术期刊《自然》上。

　　据论文共同第一作者、南京大学博士生王玉瑞介绍，全钙钛矿是近年来钙钛矿光伏电池研究的前沿方向之一。理论上，全钙钛矿的制造成本比常见的晶硅材料更低，同时更轻薄、可弯曲，潜在应用场景更广。

　　钙钛矿光伏电池的初级产品是一层层薄膜，其中钙钛矿层负责吸收阳光，产生“电子-空穴对”，电子传输层和空穴传输层分别负责“拉走”电子和空穴，让电子动起来，这样就能产生电流。

　　前期研究中，课题组曾制备出0.05平方厘米的全钙钛矿叠层光伏电池，光电转化效率为28%。但在尝试扩大电池面积时，科研人员遇到了困难。

　　“面积扩大20倍，电流损失明显，光电转化效率跌到了26.4%。”王玉瑞说。

　　光电转化效率低，课题组首先想到是薄膜不均匀导致的。按照传统思路，课题组优化了空穴传输层，改进了钙钛矿的结晶过程，但结果仍不尽如人意。“这说明问题可能出在电子传输层。”谭海仁说。

　　经过2年的研究，课题组开发出一种混合两种分子的后处理溶液，它能够有效改善电子传输层的均匀性。利用这种新方法制备的电池，面积达到1.05平方厘米，实验中一度取得28.5%的光电转化效率，且电流没有发生明显损失。后经国际权威机构JET认证，新电池的稳态效率以28.2%的数值记录下来，目前仍为该尺寸的最高值，并被国际《太阳能电池效率表》收录。

　　谭海仁表示，此次取得的技术进展，为后续制备更大面积全钙钛矿叠层光伏电池打下了坚实基础，课题组将不断努力，向着实用化、产业化的方向稳步推进。

　　南非

　　推动纳米复合材料研究应用

　　开发可持续能源和储能技术

　　◎科技日报驻南非记者 冯志文

　　2024年，南非在新材料研究方面取得显著进步，尤其是在纳米复合材料和能源应用领域。

　　在新型纳米材料方面，南非科学与工业研究委员会（CSIR）所属的国家纳米结构材料中心推动了聚合物纳米复合材料的研发和使用。这些复合材料具有阻燃性、耐温性和拉伸强度大等性能，适用于汽车、化妆品和制药等多个行业。

　　南非先进材料化学研究所专注于研究改进聚合物电解质膜水电解氧化铱（IrO2）催化剂，进一步提高了析氧反应的效率和稳定性，这对于清洁能源系统制氢至关重要。优化方法合成的高性能催化剂显示出对扩大生产的巨大潜力。

　　CSIR在电池材料开发方面也取得了长足进步。他们的研究重点是优化储能系统的阴极和负极材料。利用南非丰富的矿产资源锰，CSIR正在开发为移动和固定应用量身定制的先进材料，为推动全球可持续能源解决方案作出贡献。