能源

非洲撒哈拉沙漠的大型风能和太阳能发电将增加降水和植被

北京师范大学地理科学学部李琰副教授与国内外科学家合作，通过动态植被的气候模式进行数值模拟实验，研究发现在非洲撒哈拉沙漠建立大规模风力和太阳能发电将有助于增加区域降水和植被，有利于区域气候和生态环境。其中非洲撒哈拉沙漠的降雨量可增加一倍以上，在萨赫勒（Sahel）地区增加高达～500毫米/年，区域植被覆盖度增加20%。研究成果发表于Science。论文指出，风电和太阳发电对区域气候的影响是通过两种不同机制来实现。风电和太阳能发电设施会改变地表特性，当规模足够大时，可能会对区域气候产生显著影响。论文成果对于解决能源—水—食物系统的可持续性挑战具有重要意义。

撒哈拉沙漠大规模风电和太阳能发电对降水影响的模拟（图片来源于北京师范大学地理科学学部）

高效钙钛矿太阳能电池研究

北京大学物理学院俞大鹏院士领导的“纳米结构与低维物理”研究团队中，赵清教授与合作者以传统两步法为基础，设计提出了钙钛矿籽晶诱导生长的两步旋涂法，通过在碘化铅薄膜中引入含铯钙钛矿籽晶，使籽晶提供后续钙钛矿生长的成核位点，引导高质量薄膜生长，解决两步法中无机阳离子的有效掺杂问题。相关研究成果发表于Nature Communications。研究者通过籽晶诱导，可实现对成核和晶粒大小的精确调控，有效掺入无机Cs离子，器件的能量转化效率提升至21.7%。同时，器件在AM1.5G太阳光下持续工作140小时后，仍然保持超过60%的初始效率，远优于传统两步法数小时的稳定性。

三元有机太阳能电池活性层形貌控制

中国科学院化学研究所有机固体重点实验室研究员朱晓张课题组科研人员利用前期发展的噻吩并噻吩类光伏受体新材料NITI，合理选择二元体系，构筑了具有“分级结构”的三元活性层形貌，实现了光电转化效率的大幅提升，阐释了形貌对光电过程和器件参数的决定性影响，相关论文发表于Nature Energy。三元有机太阳能电池保持单节电池结构，在二元活性层中引入吸收互补的第三组分，增强光谱吸收。尽管三元电池取得了一定成功，但面临着严峻的挑战，其核心问题在于对三元共混薄膜难以实现清晰、有效的形貌控制，用以同时保证高效的激子解离和电荷传输。

层状氮化物中电场诱导的稳态超导电性研究

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心超导国家重点实验室SC10组陈根富研究员等在层状氮化物MNCl（M： Hf， Zr）的电场调控研究中取得进展，实现了电场诱导的永久超导电性，并对其机制进行了全面和深入的研究。研究论文发表于Chinese Physics Letters。近年来，利用离子液体作为电介质进行电场调控物性的研究引起了凝聚态物理领域的极大关注，其中电荷双层三极管成为一种典型的电场调控工具。电场诱发的部分Cl离子空位会对体系产生电子掺杂，并最终形成不可逆的稳态超导转变。这为在具有类似结构的低维化合物中探索和研究超导电性提供了新的实验思路和视野。

水溶液实现铁电极化的“活字印刷”

北京师范大学张金星教授课题组与清华大学、中国科学院物理研究所、北京理工大学和宾州州立大学合作，探索了无铅铁电材料（铁酸铋）与水溶液（普适的化学溶剂和生命之源）的界面物理和化学行为，发现不同铁电极化表面可以有选择性地诱导界面化学反应和离子成键，帮助有效构建固—液界面结构。研究论文发表于Nature Communication。不同于传统的控制方法如电场、机械力等，全水溶液原位可逆翻转铁电极化不需要消耗化石能源，实现了电极化翻转的绿色调控。此工作以中国书法艺术《兰亭序》中的“水“字为例，展示了对铁电极化大面积、低成本的“活字印刷”技术。

铁电极性表面选择性离子成键，以及伴随的铁电材料体极化在微纳尺度的“活字印刷”。（图片来源于北京师范大学党委宣传部新闻中心）

我国实现火力发电增长与用水脱钩

同济大学经济与管理学院张超副教授与学者合作，发现海河流域大部分地区火电水资源压力指数明显下降，而西北大型煤电基地所处汇水区的压力指数则显著上升，为此建议西北地区煤电基地开发应实行“取水总量控制”措施，研究论文发表于Nature Energy。我国拥有世界上规模最大的火力发电装机，研究首次建立了我国长时间序列高分辨率火力发电用水地理信息数据库，揭示了2000至2015年间火电取水、耗水及其水资源压力的时空格局演变过程，定量评估了多种影响因素对火力发电水资源利用效率提升的贡献。该研究对我国制定合理的水资源管理政策和电力工业发展政策均具有借鉴意义。

原位探测锂电池层状材料制备过程结构演化的研究

北京大学深研院新材料学院潘锋教授课题组和美国Brookhaven国家实验室王峰教授课题组合作，揭示了高Ni层状材料结构无序的合成起源，为合成过程中降低甚至消除结构无序提供了理论指导，有望显著提升富镍材料的实际容量及能量密度。研究论文发表于Journal of American Chemical Society。锂离子电池（LIB）在便携式电子设备、电动车等领域有着广泛的用途。富Ni层状氧化物正极材料，由于能量密度高、成本低等特点，已成为最有应用前景的下一代LIB正极材料之一。然而，随着层状材料中Ni含量的增加，产生了许多相关的问题，如实际容量和理论容量相差大、热稳定性低、循环稳定性差等。

共价有机框架材料太阳能转化电化学能研究

中国科学院福建物质结构研究所王要兵课题组和袁大强课题组报道了一种利用同时具有光吸收和可逆电化学能量存储的双功能材料，直接将太阳能转化为电化学能的新方法。科研成果发表于Angewandte Chemie International Edition。将太阳能存储在电化学储能器件中，是解决太阳能间歇性供应，实现其广泛应用的有效方法。该研究以同时具有可逆电化学反应和分子内电荷转移协同作用的双功能阴极材料为基础，设计了一种新型的太阳能—电化学能量转换/存储系统，实现了对太阳能的有效利用。为替代集成的太阳能电池和电池系统提供了新的思路。