厉害！2022年中国学者在顶刊Nat Energy（IF=61）发表14篇文章

截至2022年6月14日，2022年中国学者在Nature Energy 共计发表了14项研究成果，在钙钛矿，区块链，合成材料等领域取得了重要进展，iNature系统盘点这些研究进展。

相比于其他Nature 子刊，中国学者在Nature Energy（月刊，平均每期发表研究论文7-10篇文章，年均发文大约是100篇）发表的文章数量较多，比例更高（除了Nature Communications之外）[如2022年中国学者在Nature Nanotechnology 发表20篇；中国学者在Nature Method 发表4篇文章；中国学者在Nature Genetics 发表14篇；在Nature Cell Biology 发表13篇；在Nature Medicine 发表约10篇文章，在Nature Biomedical Engineering 发表约10篇文章，在Nature Immunology 发表约4篇文章，在Nature Microbiology 发表约5篇文章，在Nature Neuroscience 发表约6篇文章，在Nature Biotechnology 发表9篇]。

【1】2022年6月9日，南京大学谭海仁及吉林大学张立军共同通讯在Nature Energy（IF=61）在线发表题为“Flexible all-perovskite tandem solar cells approaching 25% efficiency with molecule-bridged hole-selective contact”的研究论文，该研究使用基于咔唑核和膦酸锚定基团的两种空穴选择性分子的混合物，形成具有低温处理的 NiO 纳米晶体薄膜的自组装单层和桥接钙钛矿。空穴选择性接触减轻了界面复合并促进了空穴提取。该研究展示了效率为 24.7%（认证为 24.4%）的柔性全钙钛矿串联太阳能电池，其性能优于所有类型的柔性薄膜太阳能电池。该研究还报告了 1.05 cm2 的较大器件面积的效率为 23.5%。分子桥接界面使柔性全钙钛矿串联太阳能电池具有显著的弯曲耐久性，该电池在半径为 15 mm 的 10,000 次弯曲循环后仍保持其初始性能。

【2】2022年6月2日，中国科学院物理研究所胡勇胜及陆雅翔共同通讯在Nature Energy（IF=61）在线发表题为“Interfacial engineering to achieve an energy density of over 200 Wh kg−1 in sodium batteries”的研究论文，该研究报告了一种初始无阳极钠电池，其能量密度超过 200 Wh kg−1，甚至高于商用 LiFePO4||石墨电池。通过在铝集流体上引入石墨碳涂层和电池中的含硼电解质，该研究表明均匀的成核和坚固的界面能够实现可逆和无裂纹的钠沉积。受益于构建的协同界面产生的协同效应，钠电池在不施加额外压力的情况下的循环寿命达到了 260 次，这是零过量钠的大尺寸电池的最长寿命。从这项工作中的钠电镀/剥离行为和界面化学获得的见解为进一步开发具有更高性能的钠电池铺平了道路。

【3】2022年6月2日，上海交通大学陈思捷作为通讯作者在Nature Energy（IF=61）在线发表题为“A blockchain consensus mechanism that uses Proof of Solution to optimize energy dispatch and trading”的研究论文，该研究提出了一种专门用于支持数学优化问题的区块链共识机制，称为解决方案证明 (PoSo)。 PoSo 通过用有意义的优化问题替换 PoW 中无意义的数学难题来模仿工作量证明 (PoW)。这是因为难题和优化问题的解决方案都很难找到但很容易验证。该研究通过使用 PoSo 来实现两个集成能源系统的能源调度和交易，展示了 PoSo 的安全性和必要性。结果表明，与现有的优化方案相比，PoSo 保证了只有最优解被参与者接受和执行。此外，与现有区块链相比，PoSo 可以无缝地结合数学优化，并最大限度地减少与搜索和验证最优值相关的工作量。

【4】2022年6月2日，美国阿贡国家实验室Guiliang Xu，Khalil Amine，清华大学欧阳明高及美国劳伦斯伯克利国家实验室Wanli Yang共同通讯在Nature Energy（IF=61）在线发表题为“Origin and regulation of oxygen redox instability in high-voltage battery cathodes”的研究论文，该研究揭示了氧氧化还原不稳定性的根本原因来自单晶阴极颗粒中存在的畴边界。通过研究具有不同畴界结构的单晶阴极，该研究发现畴界的消除增强了可逆晶格氧的氧化还原，同时抑制了不可逆的氧释放。这导致在电池循环和滥用加热期间显著抑制结构退化并改善机械完整性。通过域边界控制实现的强大的氧氧化还原为高能量、长循环、安全电池提供了实际机会。

【5】2022年6月2日，冲绳科学技术大学院大学戚亚冰团队（武汉理工大学卜童乐为第一作者）在Nature Energy（IF=61）在线发表题为“Modulating crystal growth of formamidinium–caesium perovskites for over 200 cm2 photovoltaic sub-modules”的研究论文，该研究在 N-甲基-2-吡咯烷酮/N,N-二甲基甲酰胺的共溶剂体系中引入甲基氯化铵添加剂，以控制甲脒-铯三碘化铅钙钛矿薄膜生长过程中中间相的形成。该研究在不使用反溶剂的情况下在干燥后获得高质量的薄膜。通过实施体钝化和表面钝化，在 22.4 cm2 的孔径面积（几何填充因子 ~ 96%）上实现了小型太阳能电池的 24.02% 和 5 cm × 5 cm 太阳能微型模块的 20.5% 的冠军效率。全叶片涂层的钙钛矿太阳能子模块在 205 cm2 的孔径面积上表现出 15.3% 的冠军效率。太阳能微型模块表现出极大的运行稳定性，在连续光照下最大功率点跟踪的 T80 寿命超过 1,000 h。

【6】2022年5月30日，上海交通大学韩礼元及王言博共同通讯在Nature Energy（IF=61）在线发表题为“In situ growth of graphene on both sides of a Cu–Ni alloy electrode for perovskite solar cells with improved stability”的研究论文，该研究设计了一种由原位生长的双面石墨烯稳定的铜镍（Cu-Ni）合金复合电极。合金化使Cu的功函数适用于常规钙钛矿太阳能电池。Cu-Ni是通过化学气相沉积制备高质量石墨烯的理想基材，同时保护器件免受氧气、水和内部组件之间的反应。为了将复合电极与半器件铆接，通过热压施加热塑性共聚物作为粘合剂层。由此产生的器件实现了 24.34% 和 20.76%（认证为 20.86%）的功率转换效率，孔径面积分别为 0.09 和 1.02 cm2 。这些器件显示出更高的稳定性：在 85°C 和 85% 的相对湿度下进行 1,440° 小时的湿热测试后，它们的初始效率保持在 97%；在连续 1 太阳光照下，在最大功率点跟踪 5,000 小时后，其初始效率的 95% 保持不变。

【7】2022年5月12日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所刘文柱及刘正新共同通讯在Nature Energy（IF=61）在线发表题为“Light-induced activation of boron doping in hydrogenated amorphous silicon for over 25% efficiency silicon solar cells”的研究论文，该研究报告了光浸泡可以有效地提高硼掺杂 a-Si:H 薄膜的暗电导率。光诱导弱结合氢原子的扩散和跳跃，从而激活硼掺杂。这种效应是可逆的，当太阳能电池不再被照亮时，暗电导率会随着时间的推移而降低。通过将此效应应用于 SHJ 太阳能电池，该研究在 244.63  cm2 的晶圆上实现了 25.18% 的认证总面积功率转换效率和 85.42% 的 FF。

【8】2022年4月25日，香港中文大学卢怡君团队在Nature Energy（IF=61）在线发表题为“Heteropoly acid negolytes for high-power-density aqueous redox flow batteries at low temperatures”的研究论文，该研究报告了一种多电子杂多酸（H6P2W18O62，HPOM）negolyte，它可以在低温下实现高性能 ARFB。由于H+ 的强溶剂化壳可防止沉淀，因此与其他阳离子 (Li+/Na+/K+) 相比，HPOM 中的质子 (H+ ) 保证了多金属氧酸盐 (POM) 的更高溶解度。由于其高溶解度和 Grotthuss 质子传导机制，HPOM 还表现出极低的凝固点和高电导率。这些优点使 HPOM 成为高功率密度低温 ARFB 应用的理想 POM 候选者。使用 0.5 M HPOM 电解质，ARFB 在 −20 °C 下表现出功率密度（282.4 mW cm−2）和稳定性（79.6  Ah l−1negolyte 在 160 mA cm−2 超过 1,200 h 无衰减），在寒冷天气条件下显示出良好的应用潜力。

【9】2022年4月14日，华中科技大学周印华团队在Nature Energy（IF=61）在线发表题为“An alcohol-dispersed conducting polymer complex for fully printable organic solar cells with improved stability”的研究论文，该研究通过采用全氟磺酸离聚物作为抗衡离子报告了一种醇分散制剂（表示为 PEDOT:F）。离聚物具有两个溶解度参数的特殊优势，可以分散在水或醇中，这使研究人员能够制备分散在醇中的 PEDOT:F 制剂。醇分散配方具有良好的润湿性和低酸度，避免了水性 PEDOT:PSS 的缺点。基于 PEDOT:F 的完全可印刷有机光伏（从底部电极到顶部电极）获得了 15% 的功率转换效率，并且在最大功率点跟踪 1,330 h 的连续照明下可以保持初始效率的 83%。

【10】2022年4月7日，意大利米兰大学Giovanna d’Adda，意大利米兰理工大学Massimo Tavoni及北京大学高彧合作在Nature Energy（IF=61）在线发表题为“A randomized trial of energy cost information provision alongside energy-efficiency classes for refrigerator purchases”的研究论文，该研究评估了在欧盟能源标签中添加简单但准确的年度或终生能源成本信息的影响。该研究与一家使用耐用能源的在线零售商进行了实地实验，测量了客户 (n = 126,614) 对冰箱的搜索和购买情况。提供精确的能源成本会导致购买价格更低、能效等级更低的产品，但总体能源和总成本相似。此外，信息提供延长了买家对产品的搜索，更多地关注低能耗产品。这些结果突出表明，能源类别的使用涉及短期经济节约和更高搜索成本之间的权衡。通过将注意力从能源成本上转移开，在公平和透明的气候转型背景下，能源效率等级可能不够。

【11】2022年2月14日，天津大学Michael D. Guiver与尹燕共同通讯在Nature Energy（IF=61）在线发表题为“Magnetic-field-oriented mixed-valence-stabilized ferrocenium anion-exchange membranes for fuel cells”的研究论文，该研究使用顺磁性二茂铁聚合物在磁场下制备 TP 取向的 AEM。磁场诱导混合价态，从而实现更高的阴离子解离和增强的碱/氧化还原稳定性。该研究的 AEM 在 95 °C 的水中显示出约 160 mS cm−1 的 TP 氢氧化物电导率，并且在 95 °C 的碱金属中超过 4,320 h 时没有明显的氢氧化物电导率损失。组装的燃料电池在 80 °C 和 80% 相对湿度下实现了 737 mW cm−2 的功率输出，在 500 mA cm−2、120 °C 和 40% 的相对湿度下，500 h 的耐久性增加了 3.9% 的电压损失和 2.2% 的高频电阻。

【12】2022年1月20日，新加坡国立大学侯毅，香港大学Aleksandra B. Djurišić及南方科技大学何祝兵共同通讯在Nature Energy（IF=61）在线发表题为“Monolithic perovskite/organic tandem solar cells with 23.6% efficiency enabled by reduced voltage losses and optimized interconnecting layer”的研究论文，该研究报告了用苄基膦酸钝化氧化镍空穴传输层导致界面复合受到抑制，在 1.79-eV 带隙钙钛矿子电池中将电压提高到 1.26 V。然后，该研究开发了一种基于 4nm 厚的溅射氧化铟锌层的优化互连层结构，该层插入有机红铜素和氧化钼之间，在近红外区域具有增强的电性能和透射率。通过这些改进，该研究在钙钛矿/有机串联太阳能电池中实现了 23.60%（22.95% 认证）的最大效率。此外，串联装置在连续单日光照下最大功率点跟踪 500 小时后仍保持 90% 的初始效率。

【13】2022年1月6日，复旦大学李庆，香港理工大学李向东及清华大学王书肖共同通讯在Nature Energy（IF=61）在线发表题为“Toxic potency-adjusted control of air pollution for solid fuel combustion”的研究论文，该研究报告了住宅部门和燃煤电厂 (CFPP) 能源使用排放的可吸入 PM 的不同毒性。家用炉灶中固体燃料的不完全燃烧会产生更高浓度的含碳物质，导致毒性比 CFPP 高一个数量级以上。与 CFPP 相比，2017 年住宅部门消耗的固体燃料仅占中国大陆的十分之一，但它对人口加权毒效调整后的 PM2.5 暴露风险的贡献高出约 200 倍。该研究建议在制定空气污染排放控制策略时应考虑PM2.5相关毒性，不完全燃烧源应得到更多政策关注，以降低暴露风险。

【14】2022年1月3日，中科院山西煤炭化学研究所李南文，中科院北化所尤伟及天津大学Michael D. Guiver共同通讯在Nature Energy（IF=61）在线发表题为“Fuel cells with an operational range of –20 °C to 200 °C enabled by phosphoric acid-doped intrinsically ultramicroporous membranes”的研究论文，该研究展示了由刚性、高自由体积、Tröger 的碱衍生聚合物构成的 PA 掺杂本征超微孔膜，该膜允许在 -20 至 200°C 的温度范围内工作。平均超微孔半径为 3.3 Å 的膜显示出虹吸效应，即使在高湿条件下也能保持高 PA，并且比传统的密集 PA 掺杂的聚苯并咪唑膜的质子电导率保留率高三个数量级以上。所得到的 PA 掺杂 PEMFC 在 15°C 下 150 次启动/关闭循环后显示 95% 的峰值功率密度保持率，并且即使在 -20°C 下也可以完成 100 多次循环。

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轻质柔性太阳能电池在运输、存储和安装方面比沉重而厚实的刚性太阳能电池更具成本效益，这使得它们对建筑/车载集成光伏 (PV)、可穿戴电子产品、便携式能源系统和航空航天应用具有吸引力。此外，它们可以通过卷对卷加工制造，以进一步降低制造成本。

柔性钙钛矿太阳能电池 (PSC) 从 2013 年的 2.6% 功率转换效率 (PCE) 迅速发展到最近的 21% 以上（最高认证为 19.9%）。然而，这个值仍然大大落后于刚性 PSC 的最高认证 PCE 25.7%，限制了它们充分利用的潜力。它们的性能限制主要归因于柔性基板的低光学透射率和允许加工的低温（对于具有成本效益和透明的柔性基板，通常约为 100°C）。

虽然钙钛矿薄膜可以在约 100°C 的低温下轻松形成，但挑战在于高性能电荷选择性接触通常在高于 150°C 的温度下制造。在 n-i-p 结构的柔性 PSC 中，使用低温处理的金属氧化物电子传输层，特别是 Zn2SnO4 和 SnO2 纳米颗粒，获得了 19.9% 的最高认证 PCE。

具有分子桥接空穴选择接触的柔性WBG PSC的光伏性能（图源自Nature Energy ）

在 p-i-n（或倒置）结构的柔性 PSC 中，有机材料（例如 PEDOT:PSS18 和 PTAA19）和 NiO 纳米晶体是常用的空穴传输层（HTL），这里 PEDOT:PSS 是 poly(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)和PTAA是聚(双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺)。特别是低温处理的 NiO 因其强大的化学稳定性、高透光率和低制造成本而引起了广泛的兴趣。然而，NiO/钙钛矿界面处的高陷阱密度和能级错位限制了柔性 PSC 的性能。用小分子、聚合物、离子液体和过量有机阳离子对 NiO 薄膜进行表面钝化，导致 p-i-n 柔性 PSC 的最佳 PCE 约为 20%。

构建具有不同带隙钙钛矿的串联太阳能电池是提高单结 PSC 效率极限的有效方法。刚性全钙钛矿串联太阳能电池PCE达到26.4%；然而，除了效率达到 21.3% 的工作外，没有人专注于柔性全钙钛矿串联太阳能电池。

在这里，该研究报告了一种分子桥接的空穴选择性接触 (HSC)，通过将空穴选择性分子锚定在低温处理的 NiO 纳米晶体薄膜上来减轻界面复合并促进柔性 PSC 中的空穴提取。这种策略使该研究能够制造出柔性全钙钛矿串联太阳能电池，其器件面积分别为 0.049 cm2 和 1.05 cm2，效率分别为 24.7%（认证为 24.4%）和 23.5%。24.4%的认证值代表了迄今为止报告的所有类型的柔性薄膜太阳能电池中的最高值。具有分子桥接界面的柔性串联器件在 10,000 次弯曲循环（弯曲半径为 15 mm）后仍保持其初始性能。总之，该研究结果为制造高效耐用的柔性太阳能电池铺平了道路，可广泛应用于建筑/车辆集成光伏、可穿戴电子产品、便携式能源系统和航空航天领域。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41560-022-01045-2