高效钙钛矿太阳能电池中开路电压与准费米能级分裂的关系
钙钛矿型 太阳能电池 具有高效率和低成本等特点，在光伏领域有较大应用前景。但到目前为止，其实验效率仍然远远低于Shockely-Queisser（SQ）对功率转换效率（PCE）高达30％的理论预测。为了进一步改善PCE，须通过减少非辐射复合损失来增加开路电压（Voc）和填充因子（FF）；此外，也需进一步了解主要能量损失机制。在理想的太阳能电池中，所有光子都被吸收在钙钛矿薄膜中，以统一效率产生电子和空穴；而在开路条件下，唯一的重组途径是自由电子和空穴在产生它们的同一层中辐射复合。通常，由于不必要的非辐射复合，Voc的报道值要低得多。Voc是外部测量的量，在器件的外部接触处和给定钙钛矿太阳能电池的多层结构时，它可能不能真正代表在吸收器或吸收层/传输层界面上建立的准平衡。另一方面，表征吸收体的导带(CB)和价带(VB)中自由光生电荷密度的一个内部量是准费米能级分裂(如何测量突破的强度 QFLS)。在SQ理论中，QFLS和Voc是两个可互换的量，被认为是相等的。然而，实验观察到，内部QFLS的大小并不总是等于外部Voc。
近期， Dieter Neher 教授利用光致发光量子产率( PLQY )测量方法，对同一太阳电池器件的外部Voc和内部QFLS进行了比较，监测这两个量相对于光强的变化。根据这些数据，计算了两个不同的理想因子，即从QFLS测量得到的内部理想因子和从Voc测量得到的外部理想因子。该研究在两种不同的钙钛矿太阳能电池模型系统上进行，即PTAA和P3HT，其特点是能量损失不同，并利用不同的空穴传输层（HTL）。对于这两个系统，QFLS随着光强的不断增加，内部理想因子恒定为1.3-1.5，而Voc对两种类型的器件都表现出明显的饱和。另外，在所有光强下，性能较差的器件的Voc明显低于QFLS。这一发现颠覆了人们认知，即Voc是衡量光照系统热平衡偏差的适当手段。因此，Voc作为强度函数的测量不能得出关于重组机制的可靠结论。通过进行漂移扩散模拟，作者阐明了Voc饱和的可能原因，并找出了它与QFLS相比可能达到的局限性。该研究发表在期刊 Adv. Energy Mater.上。
【研究过程】
1、不同空穴传输层的比较
图1 不同空穴传输层的比较结果。对于使用PTAA和P3HT作为空穴传输层的两个典型器件，在模拟AM 1.5G照射下校准至100mW/cm 如何测量突破的强度 2 的正向和反向扫描的J – V特性（0.1V/s，电压步长为0.02V）。
2、PLQY对光照强度的依赖性实验
图2 PLQY对光照强度的依赖性实验结果。在P3HT和PTAA作为空穴传输层的两个电池上测量强度依赖性光致发光量子产率（PLQY）。对于PTAA案例，PLQY通常较高，表明该系统的非辐射损失较少。
3、QFLS 、QFLSrad和Voc
图3 QFLS、QFLSrad和Voc比较结果。a）分别使用PTAA和P3HT作为HTL的相应太阳能电池的qVoc，QFLS和QFLSrad之间的比较。b）根据QFLS对光照强度的依赖性计算的内部理想因子。c）根据Voc对照明强度的依赖性计算外部理想因子。
4、两种不同太阳能器件的强度相关漂移-扩散模拟
图4 两种不同太阳能装置的强度相关漂移-扩散模拟结果。a）利用第一饱和模型，利用PTA1 对两个不同的太阳能装置进行强度相关的漂移-扩散模拟结果。b)利用第一饱和模型，利用P3HT对两个不同的太阳能装置进行强度相关的漂移-扩散模拟结果。c)可能导致Voc饱和的重组过程的示意图表示；1)电子可以通过附加的高能界面态或在基片的某些点上缺乏HTL的选择性来达到HTL。因此，HTL上的电子现在可以与HTL(2)中的空穴重新结合，或者它们可以到达触点，并在那里与试图到达外部电路(3)的空穴进行复合。d）HTL厚度对Voc（I）和理想因子测量的影响的实验结果。e）结果用80 nm PTAA和P3HT分别作为HTL对太阳电池的QFLS(I)和Voc (I)进行了比较。
5、不同光照强度下的QFLS和Voc之间的关系
图5 使用P3HT和PTA1作为空穴传输层的太阳能电池中不同照明强度的QFLS和Voc之间关系的示意图。钙钛矿层中的虚线表示定义QFLS的 EF,e 和 EF,h，而外部Voc由触点处的相应能级给出。该图突出了P3HT对电池的Voc的不利影响，特别是在高照射强度下。
【总结】
Pietro Caprioglio, Martin Stolterfoht, Christian M. Wolff, Thomas Unold Bernd Rech, Steve Albrecht, Dieter Neher, On the Relation between the Open‐Circuit Voltage and Quasi‐Fermi Level Splitting in Efficient Perovskite Solar Cells, Adv. Energy Mater., DOI:10.1002/aenm.201901631
如何测量突破的强度
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通过主动操控量子态、应用叠加性、纠缠、非局域性、不可克隆性等量子效应的第二次量子技术远远优于相应的经典技术，同时建立无线电量子计量基准是国际计量关注的热门问题，因此基于里德堡原子的微波电场传感器得到迅速的发展。基于对外场敏感的里德堡原子利用电磁感应透明 (EIT) 和AC斯塔克位移这两种量子相干现象，入射微波作用于对外场敏感的里德堡原子，然后通过测量探测光的光谱得到微波特性。具体说，微波场耦合相应的两个里德堡能级，会使EIT光谱发生Autler-Townes分裂（AT分裂）。当微波场的强度足够大以至于AT分裂的间距大于EIT的线宽时，通过测量EIT-AT分裂的间距可以得到微波电场的强度。但当微波场的强度小到无法区分AT分裂时，该方法在这样的弱场情况下失效，而弱场测量是微波在各个应用领域的关键。
国科大物理科学学院贾凤东副教授课题组与清华大学核能与新能源技术研究院谢锋副教授课题组合作，提出了一种高效、鲁棒的将微波电场强度测量扩展到弱场区域的新方法，在该研究领域取得了突破性进展。该方法利用辅助微波场修饰的里德堡原子突破了EIT-AT分裂间距在弱场测量领域的局限，并大大降低了测量的时间成本和经济成本，可迅速移植到各种微波测量场景中并提高测量精度。该研究首次在理论和实验上证明，在简单的室温铷原子池的实验装置上，利用辅助微波修饰里德堡原子可以将直接可溯源到国际单位制（SI）的微波电场强度的下限扩展两个数量级。具体的做法是，先用辅助微波得到EIT-AT分裂，再利用已经产生的EIT-AT分裂去测量待测微波电场强度。从而将EIT-AT分裂光谱的可分辨精度从几MHz提高到几十kHz，对应的微波电场强度从 3 mV/cm降到~31 μV/ cm，将测量弱场的极限提高了100倍。这种测量微弱信号的方法同样适用于扩展其它量子传感器的检测极限。
这项工作得到了国家重点研发计划项目（2017YFA0304900，2017YFA0402300）、北京市自然科学基金（1212014），国家自然科学基金委（11604334, 11604177）, 中国科学院先导项目（XDPB08-3），中央高校基本科研业务专项费资金资助。
图1 辅助微波修饰的里德堡 EIT -AT 分裂的原子能级图。实验使用的是87Rb原子。图中ωp是作用于能级|1>和|2>的探测光，ωc是作用于能级|2>和|3>的耦合光，探测光和耦合光与能级|1>、|2>和|3>构成里德堡EIT。ωa是作用于能级|3>和|5>的辅助微波，在辅助微波的修饰下，能级|3>和|5>产生AT分裂。ωt是作用于能级|3>和|4>的待测微波。能级|3>在辅助微波场的作用下出现的两条“新”线，然后这两条“新”线以类似于通常的 如何测量突破的强度 AC 偏移的方式对待测弱微波场ωt产生响应，并继续以相反的方式进行移动，最终 EIT-AT的扩大分裂可用于测量待测微波场的电场强度。
图2 有/无辅助微波场下的里德堡EIT-AT分裂与待测微波电场的关系。在没有辅助微波场时，如图中黑色方块所示，当待测微波电场的强度小于3 mV/cm时，EIT-AT分裂就不可区分，这意味着在我们的实验装置中利用传统EIT-AT分裂的方法只能测量到3 mV/cm。在辅助微波场存在时，如图中绿色圆圈所示，EIT-AT分裂对待测弱微波场的响应可以到~31 μV/ cm.
如何测量突破的强度
第三方认证作者
这一研究是由国家天文台庆道冲、李菂领导的国际合作团队完成的，他们利用FAST测量了450光年外星云内部的磁场，探寻了恒星在形成过程中的经典问题——磁通量问题，这是恒星形成中经典三大难题之一。
马克斯·普朗克天体物理研究所的Paola Caselli教授说：“如果其他气体云中的情况也证明如此，那么对恒星形成研究领域来说，（这一发现）将是革命性的。”
突破性研究！恒星形成速度可能是以前预料的十倍
恒星的形成，就像引力和磁力之间的拔河。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的射电天文学家Richard Crutcher分析了Lynds 1544星云核心的磁场，在那里核心的密度是外层的10000倍。另外，研究人员也已经利用波多黎各的阿雷西沃射电望远镜（该望远镜于2020年倒塌）测量了Lynds 1544的外围磁场。
测量结果发现，中间层的磁场强度为4微高斯，只有地球磁场的600万分之一，并不比Lynds 1544星云外层强。
这意味着恒星开始形成的地方要比之前学界预期的要更靠近外层，Paola Caselli解释说，“这篇论文基本上认为引力在星云（形成）中胜出: 那才是恒星开始形成的地方，而不是在致密的星核中。”
“这项发现意味着气体云进化成恒星胚胎的速度比之前认为的要快10倍。”论文第一作者庆道冲表示。
从2003年到2021，一切发现都有意义
2003年，李菂和Paul Goldsmith提出了一种HI窄自吸收 (HINSA) 的测量技术，成功解决了这一问题，星云中间磁场的测量才得以实现。
大家肯定都了解《资治通鉴》。《资治通鉴》的第一句是：“起著(chú)雍摄提格,尽玄黓(yì)困敦。”这句话就看懵了很多人，但这句话其实是说这一篇记载的时间区间。
关系很大。这种纪年方式的基础是木星（岁星）以及对应的虚拟天体“太岁”（和木星运动反向），太岁环绕太阳一周是12年，12个太岁年名就是这么来的。
也就是说，早在两千年前，我们的祖先就已经用宇宙的视野来记录人类的历史，无论未来如何，宇宙中木星只有一个，只要观察木星的运动，就能在任何时候对这些晦涩的史书进行断代，哪怕做这件事的已经不是人类。
从人类抬头观测宇宙开始，人类的历史早就和宇宙绑定了。
当我们抬头的时候，我们的目标早已是星辰大海。
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突破！高强度激光器粒子束能量达80亿电子伏特
这项工作由博士后学者Marlene Turner领导，他与科研人员Anthony Gonsalves进行合作，在《High Power Laser Science and Engineering》上发表他们的最新研究。BELLA中心加速器技术和应用物理部主任Cameron Geddes说：“这项工作证明毛细管可以产生极其稳定的等离子体靶用于加速，加速器性能变化主要由激光波动驱动，表明需要主动激光反馈控制。
Marlene Turner(如何测量突破的强度 右)与Anthony Gonsalves合作，由于疫情防控需要，双方戴着口罩图片：Thor Swift/Berkeley Lab
BELLA中心使用等离子体来引导长达20厘米的激光脉冲，以实现迄今为止最高的激光驱动粒子能量。等离子体由毛细管内的放电产生，可以想象成电子在激光脉冲建立的超高电场波里“冲浪”。激光聚焦持续时间越长，这些电子速度就越快。
使用这些方法，还可以高精度测量其他类型的等离子体波导。测量精度对于研究从一次激光照射到另一次激光照射的密度分布变化很重要，因为尽管毛细管很耐用，但其中的波导等离子体每次都会重新形成。该团队通过研究发现了其出色的稳定性和重现性。BELLA中心主任Eric Esarey说：“这些结果以及我们正在进行的借助机器学习技术的主动反馈工作，是提高激光等离子加速器稳定性和可用性的关键一步。
激光等离子体加速技术可减小粒子加速器的尺寸、降低其成本，从而增加研究探索中的可用性，并为下一代高能物理粒子对撞机提供可能。提高粒子束能量并使其超过目前的80亿电子伏特记录的关键方法有两种——其一是使用更长的加速通道，其二则是“分段”，即使用一个加速模块的输出作为另一个加速模块的输入。验证加速发生的等离子体通道的质量以及该质量的一致性和可重复性可以为未来的研究打下坚实的基础。
除了研究这种基于毛细管的波导具有高质量和稳定的质量之外，该团队还将波导长度延伸至40厘米——现有破纪录能量的波导的两倍。Turner对此十分自信，她认为现在开发的40厘米长的精密波导可以将这些能量推得更高。这项工作得到了美国能源部科学办公室、高能物理办公室的支持。
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