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【材料日报】地平线2020、太阳能电池寿命、透明陶瓷制超硬窗

 前沿材料 2020-09-17

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“地平线2020”资助

智能项目“伽利略智能城市(GHOST)”

2017年3月16日,欧盟科研创新计划“Horizon 2020”(以下称为地平线2020)通过官网发布消息称,由“地平线2020”资助的“伽利略智能城市(全称Galileo Enhancement as Booster of the Smart Cities,以下简称GHOST)项目正在设计、开发和验证车辆智能系统,为现有公共交通车辆配备一台支持伽利略定位系统的摄像机,并将这些车辆连接到一个门户网站。

据悉,这一系统将自动拍摄基于车辆的准确位置的预定义“兴趣点”(全称points of interest,简称POI)的图片。所有图像被发送到能够检测诸如坑洼或烧坏的路灯等异常的处理服务器。然后,系统可以使用网络门户向有关当局报告这些调查结果。

GHOST系统的关键区别在于其使用伽利略定位系统,这使得它能够根据POI的大小拍摄具有1到10米误差范围的自主快照。在人口稠密的城市环境中,只有结合使用伽利略定位系统、惯性传感器和卡尔曼滤波器才能实现这样的服务水平。另一个独特的功能是免费的智能手机应用程序,市民可以用来收集本地化的快照。

GHOST提出了一种提高城市运营和基础设施监控效率的有竞争力的方法。 一旦完成,该系统将能够更快地检测违规停车或道路恶化,并有助于减少交通事故和污染。目前,该项目正在努力使GHOST技术商业化。

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芬兰阿尔托大学开发的纳米管膜

有望解决钙钛矿太阳能电池寿命问题

2017年3月17日,芬兰阿尔托大学宣布该校研究人员同瑞典乌普萨拉大学以及瑞士洛桑联邦理工学院合作,使用纳米管膜替代金作为空穴型导体的后部触点(back contact),延长了钙钛矿太阳能电池的寿命

大约在5年前,世界开始关注第三代太阳能电池,这种电池具有更便宜并且更简单的生产工艺,使用的能量也更低,足以挑战传统的硅电池。

甲基碘化铅胺(Methylammonium lead iodide)是一种金属-有机材料,具有钙钛矿晶体结构,可以高效捕获光并且导电良好,这些对于太阳能电池都很重要。然而目前金属有机钙钛矿太阳能电池相比于硅电池,最大的问题在于其寿命短

此项联合研究使用阿尔托大学Esko Kauppinen教授领导开发的“随机网络”纳米管膜,提升了太阳能电池的长期稳定性。随机网络纳米管膜是由单壁碳纳米管组成的,其电镜照片看起来就像是放在盘子里的意大利细面条(spaghetti)。

研究人员表示,在传统钙钛矿电池中,空穴导电层由有机材料构成,并且在其顶上具有很薄的一层金,它容易碎裂并扩散到整个太阳能电池结构中。而研究人员用这种碳纳米管制成的膜把金和一部分有机材料替换掉,结果在60度和全日照明条件下获得了很好的电池稳定性。

在该项研究中,使用了具有尽可能高的导电性的黑色厚膜作为太阳能电池的后部触点,光不需要透过它。据研究人员称,纳米管膜可以做得薄而透明,使其可以用于电池的前触点(front contact)让光透过。

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德国电子同步加速器研究所开发出

使用透明陶瓷制造超硬窗户的技术

2017年3月17日,科学家们在德国电子同步加速器研究所(DESY)合成了一种广泛使用的工业陶瓷——立方氮化硅的首个透明样品。正如此日本-德国团队在《科学报告》杂志上报道中描述的,该团队制备出了一个由立方氮化硅制成的超硬窗,具有在极端条件下,比如在发动机中使用的潜力。立方氮化硅(c-Si3N4)在高压下形成,是金刚石之后第二硬的透明纳米陶瓷,可以承受相当高的温度。

此种陶瓷非常稳定,因为其中的硅氮键非常坚固。在普通大气压力下,氮化硅具有六方晶体结构,该种晶体结构组成的烧结陶瓷是不透明的。

在超过普通大气压十三万倍的压力下,氮化硅转变成具有立方对称性的晶体结构,专家称之为尖晶石型晶体结构。人工尖晶石(MgAl2O4)在工业中作为透明陶瓷具有广泛的应用。在此次的研究中,Nishiyama的团队在DESY使用大容量压机(large volume press, LVP)将六方氮化硅暴露于高压和高温中。在约15.6万倍大气压(15.6GPa)和1800℃的温度下,形成了直径约为2毫米的透明立方氮化硅片。

该团队科学家已经预见到他们的超硬窗的各种工业应用。研究人员解释说:“立方氮化硅是迄今为止最坚硬的透明尖晶石陶瓷,是已知的第三硬的陶瓷,仅排在金刚石和立方氮化硼之后。但是硼化合物不透明,金刚石在空气中只能稳定到约750摄氏度。而立方氮化硅在高达1400摄氏度时是透明和稳定的。”

然而,由于合成透明立方氮化硅所需的强大压力,科学家们可能获得的透明窗口的尺寸由于实际原因而受到限制。

▲DESY合成的一个透明多晶立方氮化硅样品

▲立方氮化硅的透射电子显微镜图片

平均粒径约为150纳米

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