該研究工作獲得了國家重點研發(fā)計劃(2020YFB1506400;2021YFB3800100)和國家自然科學(xué)基金(U20A20245;U21A20171;11834011;12074245)等項目的資助。2、Science:武漢光電國家研究中心韓宏偉團隊突破第三代光伏技術(shù)瓶頸3月15日,Science雜志刊發(fā)華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心韓宏偉教授團隊的研究論文“Electron injection and defect passivation for high-efficiency mesoporous perovskite solar cells”《電子注入和缺陷鈍化機制助力高性能介觀鈣鈦礦太陽能電池》。研究顯示,不同于傳統(tǒng)p-n結(jié)器件光電轉(zhuǎn)換動力學(xué)過程,介觀鈣鈦礦太陽能電池電荷分離采用載流子3D注入機制,結(jié)合界面鈍化,基于碳電極的無空穴傳輸層可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率獲得大幅提升,突破了全濕法制備光伏器件效率低的傳統(tǒng)認(rèn)知。
為實現(xiàn)低成本光伏發(fā)電,基于固相晶錠切片工藝的晶硅電池、基于真空氣相沉積工藝的薄膜電池以及基于濕法加工工藝的新興太陽能電池先后被研制出來。其中,新興太陽能電池可利用低成本的濕法涂膜設(shè)備進(jìn)行簡便加工,被認(rèn)為是最有希望實現(xiàn)低成本制造的技術(shù)。然而,相較于晶硅或薄膜電池,新興太陽能電池在光電轉(zhuǎn)換效率和工作穩(wěn)定性方面面臨巨大挑戰(zhàn),其根本原因是濕法加工制備的薄膜本身處于非晶狀態(tài)或結(jié)晶質(zhì)量較差,其光生載流子壽命短且傳輸速度慢;同時存在“針孔”等形貌缺陷,不利于大尺寸組件的制備進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品良品率低;此外,結(jié)晶質(zhì)量不高的薄膜或薄膜材料本身如鈣鈦礦吸光層在光熱電等作用下容易退化,導(dǎo)致載流子傳輸能力的進(jìn)一步下降,從而帶來器件性能的衰減。為此,韓宏偉教授團隊自主開發(fā)了可全濕法加工的可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池,其特點是在單一導(dǎo)電襯底上逐層印刷介孔二氧化鈦層、介孔二氧化鋯層及介孔碳電極層,之后填注鈣鈦礦材料到三層介孔膜結(jié)構(gòu)中即完成器件的制備。2014年,團隊在國際上首次報道了光照穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池,研究成果“改變了人們對鈣鈦礦太陽能電池‘本質(zhì)上不穩(wěn)定’的看法” 【Science 345, 295 (2014)】;2018年,團隊以研制的3600cm2尺寸的可印刷介觀鈣鈦礦太陽能模組組裝了110平米實驗性示范系統(tǒng)【Science 361, 1214 (2018)】,充分展示了該器件在成本控制、穩(wěn)定性及大面積制備等方面的巨大優(yōu)勢。然而,依據(jù)傳統(tǒng)p-n結(jié)理論,空穴傳輸層的缺失使得鈣鈦礦吸光材料與碳電極直接接觸導(dǎo)致嚴(yán)重的復(fù)合,進(jìn)而影響效率的提升。
在本工作中,通過模擬仿真及載流子動力學(xué)測試,三層介孔膜結(jié)構(gòu)器件展現(xiàn)了不同于傳統(tǒng)p-n結(jié)電荷分離機制。在傳統(tǒng)平面堆疊光伏器件中,光生載流子(空穴和電子)產(chǎn)生后在吸光層中長距離遷移,然后在空穴傳輸層(或電子傳輸層)界面被選擇性提取,對應(yīng)的電子傳輸層(或空穴傳輸層)起著阻擋異種載流子(空穴或電子)復(fù)合的作用,因此在傳統(tǒng)太陽能電池中電子傳輸層及空穴傳輸層的存在是獲取高光電轉(zhuǎn)化效率的必要條件。而在三層介孔膜結(jié)構(gòu)的可印刷介觀太陽能電池中,吸光材料被局域在三維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電子傳輸層納米孔中,吸光材料所產(chǎn)生的光生電子通過3D注入過程快速有效的注入到介觀電子傳輸層中,電子和空穴分別在電子傳輸層和吸光材料層中傳輸。這種介孔膜中載流子3D注入過程解耦了充分吸收光所需的吸收層厚度與確保電荷充分收集所需的載流子擴散長度之間的矛盾,在電子傳輸層/鈣鈦礦界面,而不是在鈣鈦礦/碳界面的復(fù)合,是導(dǎo)致電壓損失的主要原因,因此無空穴傳輸層的阻擋,三層介孔膜結(jié)構(gòu)的可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池也可獲得超高的光電轉(zhuǎn)化效率。為此,針對多孔電子傳輸層內(nèi)表面氧空位缺陷帶來的性能損失關(guān)鍵制約,利用由軟路易斯酸陽離子與硬路易斯堿陰離子構(gòu)成的鹽鈍化劑進(jìn)行處理,促使氧空位電離釋放所束縛的電子,有效鈍化了氧空位,成功將可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池效率提升至第三方認(rèn)證的22.3%。與此同時,57.5cm2微型模組開口面積效率達(dá)18.2%,模組中單條子電池的電壓超過1.1伏。該工作創(chuàng)新性的提出了載流子3D注入機制。下一步,通過對介觀光電子學(xué)的深入研究,有望為基于全濕法工藝的下一代高性能光伏,乃至電致發(fā)光、光電探測器件的超低成本大面積制造提供可行方案和理論支撐。華中科技大學(xué)為唯一通訊作者單位,華中科技大學(xué)劉佳樂、武漢萬度光能研究院陳夏巖、華中科技大學(xué)陳開中、中科院大連化學(xué)物理研究所田文明為共同第一作者。華中科技大學(xué)韓宏偉教授、梅安意教授、凌福日副教授為共同通訊作者。該項研究工作得到了武漢萬度光能研究院在器件制備、大連化學(xué)物理研究所金盛燁研究員團隊、西安交通大學(xué)蘇亞瓊研究員團隊、中國華電集團李小江研究員、李嘯宇博士等在載流子動力學(xué)分析、第一性原理計算等方面的幫助。同時,該工作獲得了國家自然科學(xué)基金集成項目、面上項目、青年科學(xué)基金項目以及中科院青年基礎(chǔ)研究項目等項目支持。3、Nature:武漢大學(xué)/華中科技大學(xué)聯(lián)合團隊揭示Gabija免疫系統(tǒng)防御機制
北京時間2024年3月12日,Nature(《自然》)以加速預(yù)覽形式在線發(fā)表了武漢大學(xué)藥學(xué)院、泰康生命醫(yī)學(xué)中心、武漢大學(xué)中南醫(yī)院心血管病醫(yī)院王隆飛教授團隊關(guān)于Gabija免疫系統(tǒng)防御機制的最新研究論文,題為Structures and activation mechanism of the Gabija anti-phage system。王隆飛教授和華中科技大學(xué)生命學(xué)院朱斌教授為該論文的共同通訊作者,武漢大學(xué)藥學(xué)院博士生李靜、華中科技大學(xué)生命學(xué)院博士后成銳、武漢大學(xué)藥學(xué)院副研究員王之明為共同第一作者。武漢大學(xué)為文章第一完成單位。

Gabija系統(tǒng)是自然界已知豐度第三,僅次于限制修飾系統(tǒng)和CRISPR系統(tǒng)的原核生物免疫系統(tǒng),僅由GajA和GajB兩個基因組成卻可以高效免疫各類烈性噬菌體的侵染,是自然界最廣譜高效且精簡的免疫系統(tǒng)之一。GajA蛋白是一種序列特異性的核酸內(nèi)切酶,且活性可以被ATP抑制,GajB蛋白是一種解旋酶類似物,可以水解ATP提供能量。近期已有兩篇Nature研究論文報道了噬菌體逃逸Gabija系統(tǒng)防御的結(jié)構(gòu)與機制,Gabija免疫機制受到高度關(guān)注,但其抵抗噬菌體侵染的分子機制尚未闡釋清楚。

該研究采用單顆粒冷凍電鏡和生物化學(xué)等技術(shù)手段,首次捕捉到了GajA核酸酶與DNA結(jié)合的激活狀態(tài)和與ATP結(jié)合的抑制狀態(tài),從分子層面完整的闡釋了Gabija系統(tǒng)的工作機制。Gabija系統(tǒng)在細(xì)胞正常生理狀態(tài)下被ATP抑制,在細(xì)菌受到噬菌體侵染后,由于噬菌體的快速復(fù)制消耗大量ATP,使得GajA不再受到ATP抑制。GajA四聚體兩端的Toprim結(jié)構(gòu)域向兩邊打開以方便DNA的結(jié)合,DNA在切割位點附近發(fā)生彎曲,以便于GajA的切割。帶切口的DNA又可以激活GajB的ATP水解活性,兩種酶活性巧妙配合最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡和噬菌體感染的流產(chǎn)。因此,Gabija系統(tǒng)可能是以代謝物的耗竭作為危險信號,是一種獨特的原核生物免疫系統(tǒng)。該研究加深了人們對自然免疫系統(tǒng)的理解,為探索代謝物作為免疫防御的潛在危險信號提供了新的研究方向。

據(jù)悉,該研究得到了武漢大學(xué)科研公共服務(wù)條件平臺冷凍電鏡機組的大力支持,冷凍電鏡機組特聘高級工程師李丹陽和實驗員李香凝在數(shù)據(jù)收集工作中提供了重要協(xié)助。該研究受到國家重點研發(fā)計劃項目、武漢大學(xué)啟動經(jīng)費、武漢大學(xué)泰康生命醫(yī)學(xué)中心科研經(jīng)費和武漢大學(xué)大型儀器設(shè)備開放補貼的共同資助。
