创新

高效钙钛矿太阳能电池

助推光伏产业迎来新契机

●创新点

钙钛矿太阳能电池具有优越的光伏性能、低廉的制造成本和简单的制备工艺，拥有巨大的应用前景。该电池由钙钛矿光吸收层、空穴传输层和电子传输层构成，光照下产生分别带有负电荷和正电荷的光生电子和空穴载流子，将光能转化为电能。然而，卤化物钙钛矿结构松散，其中的碘化物组分很容易离开原有结构位置，从而破坏钙钛矿的结构和性能。碘化物扩散、迁移至空穴传输层中，会导致空穴传输效率降低，界面能级结构匹配度不够，显著降低电池效率，是当前领域难以解决的问题之一。上海交通大学材料科学与工程学院杨旭东教授团队解决了碘离子破坏空穴载流子传输的问题，大幅提高了空穴载流子的传输效率和稳定性。

●方法和结果

研究团队通过离子交换技术，将带有正电荷的聚合物自由基与引入的阴离子进行离子耦合，从而对抗侵入的碘化物对空穴传输通道的破坏，提高空穴传输层的电导率和稳定性，并承受高达120 ℃的高温热应力。得益于上述离子交换技术，研究团队制备的钙钛矿太阳能电池的认证功率转换效率为23.9%，达到了无锂离子掺杂和PTAA基钙钛矿太阳能电池的效率峰值。经研究团队测试，当电池以最大功率点在标准太阳光和85 ℃下运行1 000小时后，依旧能保持初始效率的92%。

应用前景

该工作为提高高效钙钛矿太阳能电池的稳定性提供了重要的技术基础，大幅提高了空穴载流子传输效率和稳定性，这为光伏产业的高速发展提供了新契机，并为推动我国“双碳”目标和能源战略的实现提供了新思路。

Source: WANG T,ZHANG Y, KONG W Y, et al.Transporting holes stably under iodide invasion in efficient perovskite solar cells[J]. Science, 2022,377(6611): 1227-1232.

新型便携式模块化集水器

可实现半干旱地区的大批量产水

●创新点

淡水资源短缺已成为全球面临的严峻挑战之一。大气中的水以蒸汽和水滴的形式存在，是一种巨大的、未开发的淡水资源，因此，收集大气中的水资源是缓解淡水资源短缺的一种潜在方法。在所有大气集水技术中，吸附式空气取水技术有较高的适应性，且对环境条件的限制较少。但是，由于吸附材料在低湿度下吸附量有限、系统设计粗糙及操作模式未经优化等，目前还难以进行大规模和商业化利用。上海交通大学王如竹教授团队提出一种便携式模块化集水器，并设计了新型“夜间批量吸附-日间逐个解吸”的批处理吸附-解吸模式，证明了在实际场景中实现大规模产水的可能。

●方法和结果

在这项工作中，研究人员采用氯化锂盐-水的热力学相图性质和线性驱动动力学模型，进行平衡吸附量和吸附动力学的预测与优化，开发了可扩展、低成本和轻量级的氯化锂复合吸附剂材料。研究人员还设计了便携式电加热空气取水系统，并采用热栅格实现自然对流和辐射屏蔽，以提高解吸和冷凝的效率。考虑到较低的水吸附效率和快速解吸速率之间的不匹配，研究人员提出了一种批处理操作策略：采用多片吸附剂在夜间同时暴露于相对高湿度的环境中以吸收水蒸气，并在白天采取交替批处理的方法释放水，从而保证每片吸附剂的高吸水率及产水率。研究证明，该便携式空气取水系统在中国兰州的半干旱气候下（日间最低相对湿度15%），可达到单日311.69 g的高取水量，且能耗仅为0.695 kWh。

应用前景

该新型集水器具有便携、稳定、高产的特点，可在不受天气条件和地理位置限制的情况下，满足多场景应急饮水的需求，如干旱地区、无电网地区等。该工作有望为下一代空气取水系统提供新的思路，以更好地解决人类对淡水的需求。

Source: SHAN H, LI C F,CHEN Z H, et al. Exceptional water production yield enabled by batch-processed portable water harvester in semi-arid climate[J].Nature communications, 2022,13(1): 1-10.

首次揭开苦味受体的“神秘面纱”

为哮喘等药物的研发带来新契机

●创新点

味觉感知是一个复杂的化学感应过程。在人类的5种基本味觉（酸、甜、苦、咸、鲜）中，苦味、甜味、鲜味受体均属于G蛋白偶联受体（GPCR），而苦味受体（TAS2Rs）相对特殊，与其他GPCR的序列同源性低，被单独归类为Class T亚家族。苦味受体是哮喘的潜在药物靶点，但由于其结构尚未被揭示，其配体识别模式、受体激活及信号转导机制等仍然未知，严重影响了苦味受体相关功能的研究和药物研发。最近，上海科技大学刘志杰和华甜教授研究团队在马钱子碱激活人源苦味受体TAS2R46的结构基础研究领域取得了重大突破，第一次揭示了苦味受体的独特特征。

●方法和结果

马钱子碱是从马钱子中提取的生物碱分子，也是迄今发现的苦味受体TAS2R46最有效的激动剂。由于无法使用以往的GPCR表达技术，研究人员创新性地使用单颗粒冷冻电镜技术，成功解析了马钱子碱激活及无配体两种状态下TAS2R46受体与下游信号蛋白复合物的结构，发现了受体独特的三维结构和调控机制：马钱子碱分子结合在TAS2R46的漏斗状正构口袋中，保守氨基酸W88参与配位，并与TAS2R46中马钱子碱的苯环建立π-π相互作用，以达到对苦味分子的快速识别。另外，研究人员还发现TAS2R46中存在一种新型激活开关，该受体可能存在多种配体结合模式，可实现广谱的配体识别。TAS2R46与下游特有的G蛋白味转导素嵌合体还存在预结合的相互作用模式。研究人员认为，苦味受体需要在人体中毒时快速拉响“警报”，因此，必须具备高效地监测大量味觉分子以及进行信号传导的能力。该研究恰恰显示了苦味受体在配体识别、激活及信号传递等生理过程中所采用的灵活简洁的机制。

应用前景

该研究揭示了T类GPCR的结构和分子特征，能帮助科研人员更深入地了解苦味感知和信号传导背后的生物学机制。另外，由于苦味受体在人体的口腔、呼吸道、肠道和脑等组织中均有显著表达，还被认为是哮喘等药物的潜在靶点，这项研究也为相关药物的研发开创了新的途径。

Source: XU W X, WU L J ,LIU S H, et al. Structural basis for strychnine activation of human bitter taste receptor TAS2R46[J]. Science,2022, 377(6612): 1298-1304.