《自然》《科学》一周(9.10-9.16)材料科学前沿要闻

1. 效率达 17.3％的溶液加工的有机串联太阳能电池

材料名称：有机光伏电池

研究团队：中国南开大学陈永胜研究组

原标题：Organic and solution-processed tandem solar cells with 17.3% efficiency

虽然有机光伏电池（OPV）具有许多优点，但它们的性能仍然远远落后于其他光伏平台。其中一个最根本的原因是有机材料的电荷迁移率低，导致有源层厚度和光吸收效率受到限制。在 Meng 等人的研究中，在半经验模型分析的指导下，使用串联电池策略来克服这些问题，并利用有机材料的高度多样性和易于调谐的带结构，创造了 17.29％的功率转换效率。实现了双端整体溶液加工的串联OPV。（Science DOI: 10.1126/science.aat2612）

2. 3D 打印分层液晶聚合物结构

材料名称：液晶聚合物

研究团队：瑞士联邦理工学院André r. Studart研究组

原标题：Three-dimensional printing of hierarchical liquid-crystal-polymer structures

当诸如飞机、车辆和生物医学植入物等需要坚硬的轻质材料时，通常会使用纤维增强聚合物结构。虽然它们具有非常高的刚度和强度，但是这种轻质材料需要能量和劳动密集的制造工艺，且通常易出现脆性断裂并且难以成形和再循环。这与轻质生物材料（例如骨、丝和木材）形成了鲜明对比，这些生物材料能够通过定向自组装形成具有突出机械性能的复杂的、分层结构的形状，并且能够循环融入到环境中。Gantenbein 等人展示了一种三维（3D）打印方法，来生成具有分层结构、复杂几何形状和前所未有的刚度和韧性的可回收轻质结构。它们的特性源于在熔融原料材料的挤出过程中液晶聚合物分子自组装成高度有向域。Gantenbein 等人通过使印刷路径与分子域定向，能够根据预期的机械应力增强聚合物结构，从而使刚度、强度和韧性超过最先进的 3D 打印聚合物一个数量级，能够与最高性能的轻质复合材料相媲美。将 3D 打印的自上而下的成形自由度与聚合物取向中自下而上的分子控制相结合的这一能力，开辟了在没有当前典型制造工艺限制的情况下自由设计和实现结构的可能性。（Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0474-7）

3. 晶体反铁磁氧化铁中可调谐的长程自旋输运

材料名称：反铁磁绝缘体赤铁矿（α-Fe2O3）

研究团队：德国美因茨约翰内斯古腾堡大学 M. Kläui 研究组

原标题：Tunable long-distance spin transport in a crystalline antiferromagnetic iron oxide

自旋电子学依赖于自旋的输运，即电子的固有角动量，作为传统电子学中电子电荷输运的替代方案。自旋电子学研究的长期目标是开发基于自旋的低耗散计算技术设备。最近，在铁磁绝缘体上证明了自旋电流的长程传输。然而，反铁磁有序材料，这一最常见的磁性材料，与自旋电子学应用的铁磁系统相比具有几个关键优势：反铁磁体没有净磁矩，使其稳定且不受外部场影响，并且可以以太赫兹频率工作。虽然反铁磁体的性质是理想的自旋输运性质，但是对这种输运的间接观察表明通过反铁磁体的自旋输运仅限于几纳米。Lebrun 等人通过利用自旋霍尔效应进行自旋注入，证明了自旋电流通过反铁磁绝缘体赤铁矿（α-Fe2O3）（最常见的反铁磁性氧化铁）单晶的长程传播。并通过使用外部磁场调节反铁磁共振频率来控制穿过赤铁矿-铂界面的自旋电流的流动，在该界面处自旋积聚，产生自旋电流。发现这种简单的反铁磁绝缘体在超过几十微米的距离上传递平行于反铁磁 Néel 有序的自旋信息。这种机制与最有前景的复杂铁磁体一样高效地传输自旋。这一研究结果为可电调、超快速、低功耗、基于反铁磁绝缘体的自旋逻辑器件在室温下无磁场工作铺平了道路。（Nature DOI: 10.1038/s41586-018-0490-7）

4. 能够像天然酶一样催化亚硫酸盐还原的人工设计血红素-[4Fe-4S] 金属酶

材料名称：血红素-[4Fe-4S] 金属酶

研究团队：美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 Yi Lu 研究组

原标题：A designed heme-[4Fe-4S] metalloenzyme catalyzes sulfite reduction like the native enzyme

多电子氧化还原反应通常需要多因子金属酶来促进耦合电子和质子的运动，但因为其结构和功能复杂，所以想要设计人工酶来催化这些重要反应非常具有挑战性。Mirts 等人报导了作为亚硫酸还原酶结构和功能模型的细胞色素 c 过氧化物酶中，人工设计的异核血红素-[4Fe-4S] 辅因子。初始模型显示出了天然酶的光谱和配体结合特性，并且通过合理调整 [4Fe-4S] 和底物结合位点周围的二级球相互作用，使亚硫酸盐还原活性得到改善，即能够接近于天然酶。这一研究通过深入了解此前难以达到的六电子、七质子反应的合成催化剂的要求，为设计高功能多因子人工酶提供了策略。（Science DOI: 10.1126/science.aat8474）

5.硅太阳能电池的钝化接触

材料名称：硼掺杂的硅基薄膜

研究团队：瑞士洛桑联邦理工学院 Andrea Ingenito 研究组

原标题：A passivating contact for silicon solar cells formed during a

single firing thermal annealing

晶体硅太阳能电池想要实现高转换效率，钝化接触是必不可少的。而便于其实现和集成的工艺流程已成为了研究的关键目标。Ingenito 等人报导了一种替代的钝化接触，该接触是在称为“烧制”的单个沉积后退火步骤中形成的，这是当前太阳能电池制造的必要步骤。由于“烧制”是一种快速（<10s）且高温（> 750℃）的退火，所以钝化接触所需的微观结构和电学性质十分严紧。Ingenito 等人证明了通过调整硼掺杂的硅基薄膜的碳含量能够抑制“烧制”引起的无法避免部分结晶的分层。后者通过在晶片表面附近引入空穴积聚，即使在没有氧化物之外的扩散掺杂区域的情况下也能提升电荷-载流子选择性。Ingenito 等人采用自主开发技术制造了概念验证太阳能电池，展示了其 698 mV 的开路电压和 21.9％的效率，并展示了它如何成为当今基于局域开放的介电钝化叠层的后端接触的直接替代品的。（Nature Energy DOI: 10.1038/s41560-018-0239-4）