PRX Energy导读|第2卷第2期

推荐语： 作者们解释了如何使用易于获取的光谱方法来严格表征半导体材料，以筛选和优化光电器件。他们为最佳实验实践方法、如何应用不同的数学模型及从测量中提取所有信息提供了指南。

摘要： 发光半导体是许多光电器件（包括太阳能电池、发光二极管和 X 射线闪烁体）的关键材料，在过去几十年中以不断加快的速度被发现。要优化任何光电器件，必须先了解发光半导体的光物理学，并最小化其损耗过程。存在几种易于获取的光谱技术，它们可以共同提供所有相关的光物理信息，即紫外 - 可见光谱、光致发光量子效率和时间分辨光致发光。然而，这些测量方法经常被不正确地使用、拟合不当，或者重要信息被忽视。在本文中， A. Bowman 和 S. Stranks 提出了将这些技术应用于表征具有未知光物理性质的发光半导体的最佳实践方法。作者们强调了每次测量中能获得哪些信息，何时适用不同的数学模型，并给出一系列半导体的示例。这项工作将有助于标准化和简化发光半导体的表征，从而实现更高效的光电器件。

（雷家睿）

How to Characterize Emerging Luminescent Semiconductors with Unknown Photophysical Properties

A. Bowman and S. Stranks

PRX Energy 2, 022001 (2023)

https://journals.aps.org/prxenergy/abstract/10.1103/PRXEnergy.2.022001

推荐语： 计算研究表明，闪烁棘轮机构可以根据扩散系数分离等电荷离子，从而有利于提高海水淡化和锂提取过程的能量效率。

摘要： 开发高选择性膜基离子分离技术可以显著提高水处理技术和新兴应用的可持续性和能源效率，例如电化学二氧化碳还原、从海水中提取有价值的金属以及电池回收。在这项工作中， A. Herman 等通过计算建模发现一种电子闪烁棘轮机构可以用于高精度离子分离。本文提出的基于棘轮的离子泵利用电子棘轮的独特功能，即依赖于频率的电流反向，以相反的方向驱动具有相同电荷但不同扩散系数的离子。该模型表明，扩散系数差异小至 1% 的离子可以通过以高达 1.2 mm/s 的速度差向相反方向驱动来实现分离。由于棘轮的泵送特性是由输入的时变电信号决定的，因此所提出的离子泵对于实现高效、大规模且适用于特定目标的选择性离子分离的系统具有重要作用。本文还讨论和分析了用于从海水中提取锂、从饮用水中去除铅以及海水淡化的棘轮驱动系统的示例。

（雷家睿 ）

Ratchet-Based Ion Pumps for Selective Ion Separations

A. Herman, J. Ager et al.

PRX Energy 2, 023001 (2023)

https://journals.aps.org/prxenergy/abstract/10.1103/PRXEnergy.2.023001

推荐语： 光捕获复合物中激子迁移的理论建模显示出与局部凝聚相关的长程有序开始的特征。

摘要： 激子的玻色 - 爱因斯坦凝聚，即激子凝聚成单个相干量子态，被称为激子凝聚。激子凝聚可以实现无摩擦的能量转移，但这通常发生在高度有序材料（例如双层石墨烯）的极端条件下。相比之下，光合作用的光捕获复合物在周围环境条件下的无序系统中表现出极其高效的能量转移。在本文中， A. Schouten 等通过研究室温光捕获中能量传输的类激子凝聚放大的可能性，建立了这两种现象之间的联系。使用 Fenna-Matthews-Olson 复合物模型，并通过向各个生色团添加多个位点来明确地解释生色团内的电子相关性，作者们观察到在粒子 - 空穴约化密度矩阵中通过类似于激子凝聚的机制激子数量放大的现象。这种类激子凝聚的放大随着激子转移的动力学而演变，并且放大的本质受到生色团内和生色团间纠缠、初始激发模型和每个生色团的位点数量的影响。调节生色团内的耦合还可以提高激子转移率，最大增强接近 100% 。该研究提供了光捕获复合物中激子凝聚和激子传输之间的基本联系，并具有利用类激子凝聚机制来增强合成系统中的能量转移并创造能够实现高效能量转移的新材料的潜在应用价值。

（雷家睿）

Exciton-Condensate-Like Amplification of Energy Transport in Light Harvesting

A. Schouten, L. Sager-Smith et al.

PRX Energy 2, 023002 (2023)

https://journals.aps.org/prxenergy/abstract/10.1103/PRXEnergy.2.023002

推荐语： 本文用一个简单的几何框架表示了连续的波浪能转换器中波的反射、传递和吸收，为波浪发电厂中的波能提取的优化提供了可视化指导。

摘要： Mérigaud 等人提出了一种简单的几何方法来可视化波浪能转换器（ WEC ）中的流体力学特征，包括波的反射、传递和吸收，以及这些特征如何受 WEC 的控制参数调控。该问题被模型化为沿波前平行方向排列的周期性 WEC 阵列，这代表着位于海岸线的 WEC 场，可以进行直接的二维能量通量分析。假设 WEC 是关于垂直于波传播方向的平面（以波传播方向为法向量的平面）对称的，且在单自由度方向运行。在上述假设下，基本的流体力学关系允许 WEC 在给定频率下的运行能被映射到一个单一的复数 

  ，该复数代表位于以1/2 为中心，1/2 为半径的圆内的 WEC （复数）传递系数。 WEC 的流体力学和控制参数（附加质量、刚度、阻尼）决定了 

  在圆内的具体位置。 

  到圆心的距离决定了流体力学效率，介于 0 （对应 

  在圆上）和1/2 （对应 

  在圆心）之间。因此， 

  的表征为（波的）反射、传递和吸收之间的平衡提供了直接的理解。本文提出的统一的表示，以教学的方式，反映了一些对所有 WEC 共通的基础的波能概念，例如哈斯金德关系或最优的波能吸收的阻抗匹配条件。 2 个数值的例子说明了在规定的频率范围内 

  的轨迹如何规定与 WEC 的几何形状、工作模式和控制策略相关的特定特征。最后，本文所提出的表示与史密斯圆图非常相似，所以这是波能转换和电气工程的又一类比。

（林蕴芊）

Geometrical Framework for Hydrodynamics and Control of Wave Energy Converters

A. Mérigaud, B. Thiria, et al.

PRX Energy 2, 023003(2023)

https://journals.aps.org/prxenergy/abstract/10.1103/PRXEnergy.2.023003

推荐语： 实验和模拟显示了表面粗糙度对 CdTe/Si 四端串联太阳能电池光学损耗的影响，进而提出了两种提高效率的缓解策略。

摘要： CdTe/Si 四端串联太阳能电池具有高光伏效率、低生产成本和单结电池的长期稳定性，是突破单结硅太阳能电池效率限制的有前景的器件。顶部结的高亚带隙透射对于达到高效率至关重要。在本文中， J. Keil 等通过实验和模拟研究了表面粗糙度对透射的影响，结果表明，由于介观尺度表面特征中的电场的集中效应，与平摊表面相比，沉积态纹理增加了反向散射和寄生吸收。添加乙烯醋酸乙烯中间层可以通过降低背面透明导电氧化物的折射率对比度来提高透射率。作者们表明，可以通过将高折射率光学涂层作为附加中间层来克服这些由粗糙引起的损耗，从而提高通过 CdTe 电池的透射，并使 Si 底部电池的效率与平坦参考器件相当。

（雷家睿）

Minimizing Roughness Induced Optical Losses for a Four-Terminal CdTe/Si Tandem Solar Cell

J. Keil, B. Cote et al.

PRX Energy 2, 023004 (2023)

https://journals.aps.org/prxenergy/abstract/10.1103/PRXEnergy.2.023004

推荐语： 本文 建立了具有密度泛函理论精度的神经网络用于研究胺附加的金属有机框架中的碳捕获现象。

摘要： 二胺附着的金属有机框架是具有选择性的和协同的 CO ₂ 吸收机制的超多孔材料，从而形成化学上可调谐的阶梯状等温线和等压线，使得全部 CO ₂ 中的大部分随着温度或压强的适度改变被捕获或释放。 尽管已在解释系统中的碳捕获现象方面取得了进展，但其中的热学性质尚未可知。本文中， Shaidu 等人提出了密度泛函理论派生的神经网络势函数用于研究胺附着的 Mg ₂ (dobpdc) ，即由 Mg 阳离子和 dobpdc[dobpdc ^4- =4,4’- 二羟基 -(1,1’- 联二苯 )-3,3’-] 连接物组成的金属神经网络。这种势函数由主动学习方法构建，通过基于分子动力学的迭代生成训练数据集提高准确性和可传递性。作者们提出的的势函数可以预测包括或不包括 CO ₂ 时的 吸收能、力学性质、振动及热学性质，能以一小部分计算成本达到从头计算的精度。作者们计算了 Mg ₂ (dobpdc) 在有胺附着 / 无胺附着及有 CO ₂ / 无 CO ₂ 的温度相关热容和晶格热膨胀，定量地捕捉了可用的测量趋势并解释了其分子起源。进一步，本文的这种势函数能被纳入模拟退火法用于确定能量最小化对应的初始结构，以计算这类系统及其他复杂系统准确的结合焓。作者们的密度泛函理论派生的神经网络势函数在分子尺度上解释了一类重要金属有机框架的结构和性质随温度的演化，为将来研究碳捕获的化学动力学提供了必要的基础。

（林蕴芊）

Carbon Capture Phenomena in Metal-Organic Frameworks with Neural Network Potentials

Y. Shaidu, A. Smith, et al.

PRX Energy 2, 023005 (2023)

https://journals.aps.org/prxenergy/abstract/10.1103/PRXEnergy.2.023005

推荐语： 本文利用一个高度可再生能源系统的模型，探讨了与现有的抽水蓄能和锂离子电池存储对比，对新的电网储能技术的需求，考虑了能源容量成本，电力容量成本和几种存储配置的能源转换效率等因素。

摘要： 未来，高度可再生能源系统可能需要大量的存储部署。目前，主要的储能技术组合仅限于抽水蓄能和锂离子电池。目前还不确定哪种存储设计能够与这些选项竞争。将欧洲作为一个案例研究， Gøtske 等人 得出一种称之为 storage- X 的通用存储技术的成本和效率需求，该技术将部署在成本最优的系统中。这是在包括了现有抽水水力设施、考虑到来自固定锂离子电池、灵活发电技术和高度可再生行业耦合能源系统的灵活需求的情况下得出的。基于 724 种储能配置的样本空间，研究表明，储能成本和放电效率在很大程度上决定了最优的储能配置，这与之前的研究结果一致。在这里， Gøtske 等人 表明，由于对可再生能源削减的影响，充电容量成本也很重要。在成本最优的系统中大量部署 storage-X 需要 (a) 至少 95% 的排放效率， (b) 至少 50% 的排放效率和低能源容量成本 (10€/kWh) ，或 (c) 至少 25% 的排放效率和极低的能源容量成本 (2€/kWh) 。将 Gøtske 等人 的研究结果与七种新兴技术进行比较，发现没有一种能够满足这些要求。然而，热储能由于其低能量容量成本和同时低充电容量成本，正处于进入资格的边缘。通过对存储设计空间的探索， Gøtske 等人 发现存储 - x 的部署最多可降低 9% 的系统成本，但这需要较高的往返效率 (RTE≥90%) 和较低的充电容量成本 (35€/kW) 。

（程子伟）

Cost and Efficiency Requirements for Successful Electricity Storage in a Highly Renewable European Energy System

Ebbe Kyhl Gøtske, Gorm Bruun Andresen, and Marta Victoria

PRX Energy 2, 023006 (2023)

https://doi.org/10.1103/PRXEnergy.2.023006

推荐语 : 理论和数值的分析表明耦合的多个流驱动热振荡器可通过放大热储存和热传递提高热电池或海水淡化系统的性能。

摘要： 最近，由于将谐振器性质拓展到输运现象中的可能性，扩散系统中的振荡行为引起了很大的兴趣。在这种情况下，内部加热和热耦合的逆流表现出可受流动的相互速率调控的热振荡。热传导和热对流的综合效应导致了热量在系统中的循环流动，在包含流动的管道之间来回振荡。这种振荡使得系统中的热量被回收利用，具有实际应用价值，如能显著提高太阳能驱动的海水淡化的能源效率。 与典型的依赖频率的振荡器相比，流驱动系统的谐振条件是有液体流速决定的。虽然有研究表明，在流速等大反向时，双通道的热振荡器表现出共振现象，但对此类系统，尤其是耦合的多通道热振荡器，其完整理解仍然是一个开放问题。本文中， Ye 等人研究了流驱动谐振振荡器的基本性质并引入了一个可完全量化耦合热振荡器的性能优点指标，该指标适用于 N 通道堆叠结构。利用这个优点指标，作者们确定了优化任意通道数量系统的理想流速配置。有趣的是，研究发现堆叠多个热振荡器可以提高在固定输入功率时整体的热传递。此工作的结果拓宽了我们对流驱动的热振荡器的基本认识，对将其应用于涉及热量的回收、交换、积累的实际问题具有意义。

（林蕴芊）

Resonant Energy Transfer and Storage in Coupled Flow-Driven Heat Oscillators

Q. Ye, S. Sanders, et al.

PRX Energy 2, 023007 (2023)

https://journals.aps.org/prxenergy/abstract/10.1103/PRXEnergy.2.023007

推荐语： 深入的计算模型演示了如何在裂变或聚变环境中用中子轰击材料产生高能的伽马光子和电子。 Reali 等人对由此产生的缺陷的异常传输进行了探索，并讨论了对反应堆材料和技术的广泛影响。

摘要： 中子辐射对材料的影响，通常解释为由中子撞击引起的原子反冲而导致的晶格缺陷。此外，还有一个在中重元素和重元素中尤为显著的两步过程。这个过程涉及在中子与原子核的非弹性碰撞中产生高能 γ 光子（这种碰撞是通过捕获和非弹性反应实现的）。随后， γ 光子被原子电子散射，从而激发出高能电子。 Reali 等人推导并且检验方程，让在大量的材料中，对中子产生的光子和电子通量进行快速和可靠的评估成为现实。两步的 n-γ-e 散射产生了一个非平衡的、动态波动的、稳定的高能电子群，同时光子和电子能量的光谱被延伸到了百万电子伏特范围内。即使热活化是无效的，这仍能通过电子触发的原子反冲激发空位扩散（主要涉及空位 - 杂质解离）。钨将聚变或裂变中子的能量转化为 γ 辐射，转换效率接近 99% ，这对结构材料、超导体和绝缘体，以及腐蚀、氦和氢同位素滞留等现象都有影响。

（程子伟）

Intense γ-Photon and High-Energy Electron Production by Neutron Irradiation: Effects of Nuclear Excitations on Reactor Materials

Luca Reali, Mark R. Gilbert et al.

PRX Energy 2, 023008 (2023)

https://doi.org/10.1103/PRXEnergy.2.023008

推荐语： 一种完全数据驱动的方法解决了电网中一个突出的挑战，即推断出对关键基础设施构成重大风险的强迫振荡的正确的源和频率。

摘要： 电网强制振荡事件是指设备故障或运行异常引起系统持续周期性扰动的状态。虽然电网的设计初衷是在标准运行过程中抑制大多数扰动，但其中一些扰动会激发系统的正常模态，并在整个系统中造成显著的能量转移，在距离源数千英里的地方产生巨大的振荡。由于对系统操作人员职责范围之外的系统参数的了解有限，因此定位此类干扰的来源仍然是一个突出的挑战。在这里， Delabays 等人提出了一种新的方法来定位强迫振荡的来源，通过使用原则极大似然方法执行同步动态模型识别来解决这一挑战。 Delabays 等人通过在系统动力学中强迫产生共振的各种例子来说明该算法的有效性。 Delabays 等人的结果证明，成功的推断强迫振荡的源和频率，不一定需要准确的系统参数信息。 Delabays 等人推测，他们的方法将在一般动力学系统中找到更广泛的应用，这些系统可以在短时间内很好地用线性化动力学描述。

（程子伟）

Locating the Source of Forced Oscillations in Transmission Power Grids

Robin Delabays, Andrey Y. Lokhov et al.

PRX Energy 2, 023009 (2023)

https://doi.org/10.1103/PRXEnergy.2.023009

推荐语： 结合实验和高保真带结构计算对杂化碘化铅钙钛矿的掺杂进行了研究，揭示了 n 型和 p 型掺杂的机理和效率。

摘要： 对电导率和载流子类型 ( 电子和空穴 ) 的控制定义了半导体。一种测定目标载流子浓度的主要方法是引入少量的价杂质掺杂原子。在合成和计算相结合的研究中， Lu 等人通过将 Bi 和 Sn 引入原型为二维 Ruddlesden-Popper 杂化钙钛矿苯乙基铵碘化铅（ PEA ₂ PbI ₄ ）中来评估杂质掺杂。实验表明， Bi 和 Sn 可以分别实现 n 型和 p 型掺杂，但掺杂效率较低。模拟表明， Bi 引入了一个深缺陷能级 ( 在导带最小值以下约 0.5 eV) ，这导致了低掺杂效率，但为了再现实验观察到的低掺杂效率，还必须存在一个受体能级来限制 n 型掺杂。实验和模拟表明， Sn 达到 p 掺杂行为发生在 Sn 缺陷的附加氧化。 Lu 等人还研究了通过调节合成过程中的电化学环境来控制取代 Bi 的掺入。第一性原理杂质掺杂模拟具有挑战性 ; 传统的掺杂剂浓度占原子的比例不到 0.01% ，需要大型的超级电池，而捕获电子能级则需要高水平的理论。 Lu 等人使用自旋轨道耦合杂化密度泛函理论，演示了包含多达 3383 个原子的复杂缺陷单元细胞的模拟。虽然 Sn 和 Bi 可以实现 p- 和 n- 型行为，但模拟和实验为未来实现更高的掺杂效率提供了具体的方向。

（程子伟）

Electronic Impurity Doping of a 2D Hybrid Lead Iodide Perovskite by Bi and Sn

Haipeng Lu, Gabrielle Koknat et al.

PRX Energy 2, 023010 (2023)

https://doi.org/10.1103/PRXEnergy.2.023010