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鈣鈦礦太陽能電池參上!能量轉換效率直逼矽太陽能板--《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/09/09 ・1917字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 513 ・六年級

文/張玉明 研究員|任職於台灣大學凝態科學研究中心

每次觀看齊柏林的「看見台灣」紀錄片,總讓人不禁感動落淚,深思背後的原因應該是對如同母親一般的台灣土地有所眷戀與疼惜吧。齊柏林以他二十餘年的空中攝影專業,自願放棄公務員退休金、拿房子向銀行抵押借款、冒著每次飛行攝影的風險,只為了成就此紀錄片,讓大家看到台灣土地的美麗與哀愁,讓更多台灣人觀看後願意關注這塊土地,並訴諸具體的行動去改變一些周遭的不美好。年紀漸長,愈來愈相信這就是「用專業說故事」的力量與魅力。

今天想跟各位讀者分享一個學術專業的故事。這故事要從「有朋自遠方來」開始談起······

圖/Andrii Zymohliad@Flickr

去年暑假美國維吉尼亞大學物理系 Seung-Hun Lee 教授應邀來台灣參加學術會議,順道安排拜訪三十年的大學研究所老友台大凝態中心陳維良博士,一如往常招待國外學者的慣例,我們安排了李教授在凝態中心分享其美國團隊在有機無機混成鈣鈦礦(HOIPs)的最新研究成果[1],學術演講後順便參訪我們的超快雷射光譜實驗室,並共享晚餐賓主盡歡。原本以為這只是行禮如儀的外國學者來台學術訪問,通常故事也是就到此劃上句點。

出乎意料地,原本的起心動念只是多年未見面的老友敘舊,在隨興閒聊實驗室過去二十年累積的雷射光譜核心技術之後,竟觸動了彼此建立學術合作的共識與契機。接著將近一年密切的實驗設計討論、實驗結果分析、與惱人的論文審查答辯過程,我們終於發表了第一篇共同合作的學術論文《Origin of Long Lifetime of Band-Edge Charge Carriers in Organic-Inorganic Lead Iodide Perovskites》,刊登於2017年7月18日的美國國家科學院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)[2]。

鈣鈦礦作為太陽能電池材料是最近幾年極受關注的科研主題,過去五年來,其能量轉換效率的最佳紀錄已直逼商用的矽太陽能板表現~22% [3]。然而為何鈣鈦礦能有如此跌破專家眼鏡的能量轉換效率?這問題則一直困惑著全世界的物理學家。

此次的台美雙邊學術合作,台大凝態中心張玉明研究員主持的台灣團隊主要負責 HOIPs 材料在可變溫環境下(-196°C ~ 350°C),雷射激發螢光光譜與時間解析螢光生命期的實驗設計、光譜量測與分析工作。台灣團隊的雷射光譜研究成果,提供了 HOIPs 太陽能電池高效率最直接且關鍵的實驗證據(詳見圖一說明)。

圖一:(左) 由台灣團隊自製的可變溫式雷射掃描共軛焦光譜顯微鏡;(右) 在兩種不同的加熱路徑下,FAPbI3之變溫螢光光譜(A-D)及時間解析螢光生命期(E、F),當FAPbI3轉變為立方晶相,均可觀察到螢光生命期顯著增長。

鈣鈦礦的光電特性研究是目前全世界極度競爭的研究領域之一,這次台美跨國團隊共同合作的目標,正是要挑戰此科研主題的核心問題,嘗試解開HOIPs太陽能電池高效率的微觀物理機制(詳見圖二說明)。

圖二:有機分子的電荷屏蔽效應有效地延長光激電子的生命期,增強鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率。(A、B):當FAPbI3是四方晶相,FA+離子不能自由旋轉,無法有效地屏蔽光激電子與電洞的再複合機制;(C、D):當FAPbI3是立方晶相,FA+離子能自由地旋轉,因此對光激發電子產生極佳的電荷屏蔽效應。

值得一提的是台灣團隊主導的研究貢獻是在整體研究構想與方向確認後,在三個月內打造出全世界獨一無二的「可變溫式雷射掃描共軛焦光譜顯微鏡」,並取得研究樣品最關鍵的雷射光譜量測成果。當初美國團隊會主動邀請合作,緣於參訪實驗室後對我們雷射光譜核心專業能力的肯定與信心。我們相信這篇論文的發表,將讓世界看見台灣在新興材料的雷射光譜研究實力。

總結此次台美團隊學術合作,台方的經費支出項目如下:李教授來台訪問期間的演講及餐費 $5,000 NTD,分攤PNAS論文發表費 $900 USD,而彼此真誠的研究技術分享與學術專業交流-- $無價

以上就是想跟各位讀者分享的故事。

如何讓世界看見台灣的學術卓越?過去十年,台灣高等教育在教育部兩輪的五年五百億經費加持之後,我們追求學術卓越的願景與目標,究竟是更加清晰?還是更加迷惘了呢?將來你想跟年輕學子講怎樣的故事呢?

參考文獻

  1. Chen T, et al. “Entropy-driven structural transition and kinetic trapping in formamidinium lead iodide perovskite”, Science Advances 2 (10), e1601650 (2016).
  2. Chen T, et al. “Origin of long lifetime of band-edge charge carriers in organic-inorganic lead iodide perovskites”, Proceedings of National Academy of Sciences 114 (29), 7519-24 (2017).
  3. 希瓦倫(Varun Sivaram)、史川克斯(Samuel D. Stranks)、史奈斯(Henry J. Snaith),“鈣鈦礦-太陽光電穿新衣”, 科學人雜誌2015年第163期九月號36-41頁。
  • 本文同步刊登於『台大校訊』與『物理雙月刊
  • 本文感謝 張玉明 研究員(台灣大學凝態科學研究中心)撰稿。
  • 張玉明 研究員實驗室網站

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 8 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站


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控制進食時間與熱量,小鼠可以更長命?

台灣科技媒體中心_96
・2022/05/22 ・2156字 ・閱讀時間約 4 分鐘

目前越來越多動物實驗的研究結果顯示,「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果,不比「限制總熱量攝取」差,甚至效果更好。

圖/envato elements

控制吃飯時間,可以延長壽命?

美國德克薩斯大學西南醫學中心的小彼得.奧唐納腦研究所 (Peter O’donnell Jr. Brain Institute) 研究團隊,今(2022)年 5 月 5 日在國際期刊《科學》(Science)公開研究論文,使用小鼠為實驗對象,研究進食熱量與進食時間,與小鼠壽命之間的關係。

團隊先讓小鼠自由的取食飼料 6 週後,再分成 5 個不同組別,分別是:

  1. 只能在日間每隔 90 分鐘進食、
  2. 只能在晚間每隔 90 分鐘進食、
  3. 只能在日間開始兩小時內進食、
  4. 只能在晚間開始兩小時內進食、
  5. 全天內每隔 160 分鐘允許進食。

這 5 組小鼠被限制攝取的熱量相同,實驗過後,再和完全自由取食且沒有限制熱量攝取的小鼠比較。

研究結果顯示,與完全自由進食的小鼠相比,有限制進食時間的小鼠平均壽命較長,其中第 2.4 組(只能在晚間每隔 90 分鐘進食,以及只能在晚間開始兩小時內進食)延長壽命的效果最好,平均可延長 35% 壽命;而只能在日間進食的兩組小鼠,平均可延長20%壽命。

與完全自由進食的小鼠相比,有限制進食時間的小鼠平均壽命較長。示意圖/envato elements

研究也觀察到其它有趣結論:

  • 隨著年齡增長,五組小鼠的體重,都比自由進食的小鼠更輕,且在非主要活動的時間(白天)進食的小鼠,白天的活動變多了。
  • 在完全自由取食的小鼠肝臟中,原本與老化相關的基因表現隨年齡增長而改變,有些基因表現降低,有些增加,且基因表現的晝夜節律性也隨老化而降低。但在只能晚間進食的兩組小鼠身上,這些因老化而造成的改變較少。

作者根據研究結果指出,僅僅限制熱量攝取而不在特定時間禁食,可以延長小鼠的壽命,禁食可以對延長壽命效果有加分的作用,而不是主要造成效果的原因。

研究凸顯了「晝夜節律」的重要性

國立陽明交通大學生化暨分子生物研究所教授 許翺麟 表示,目前越來越多,動物實驗的研究結果顯示,「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果,不比「限制總熱量攝取」差,甚至效果更好。

特定時段禁食,有可能比限制總熱量更能延緩老化。圖/envato elements

過去研究飲食中,熱量限制對老化與壽命的影響時,常常無法分辨原因到底是因為「總卡路里攝取較少」還是「固定且有規律的長時間禁食」。最近幾年,科學家開始針對此一問題進行更深入的研究。

去年一項使用小鼠的研究顯示,限制飲食的熱量可延緩老化的效果,可能大部分來自於長時間且有規律的禁食[1]。此外,另一項在果蠅的研究中也指出,不但是要有規律的禁食,何時禁食也同樣重要。最有效延緩老化的方式,要與動物本身的生理時鐘配合,在本來就比較少進食的時候進行禁食[2]

  • 編註:小鼠是夜行性動物,上述文字中的「日間」指的是白天光線照射,對小鼠而言是休息和睡眠的時段,「晚間」沒有光照,才是小鼠活動和主要進食的時段。

這次的研究中更進一步證實,單純只是限制總熱量攝取,只能提供很少的延長壽命效果,反而熱量限制並配合生理時鐘進行間歇性禁食的效果最好。小鼠是夜行性動物,日間禁食對延長壽命的效果,遠比夜間禁食的效果更加顯著,至於每日禁食 12 小時或 22 小時則差異不大。此外本研究也顯示,調控生理時鐘的基因在調控老化上的重要性。

配合生理時鐘進食很重要。圖/envato elements

人類比照辦理也會有用嗎?

許翺麟教授 說明,本研究最大的限制來自於其僅用單一品系、單一性別的小鼠來進行研究。從過去其他研究已知,飲食限制對不同品系與不同性別的動物,效果不盡相同。因此本研究雖然頗具參考價值,但是能否推論到其他品系的小鼠,甚至其他物種與人類,仍有待未來更多研究來支持。

雖說人類遠比實驗動物複雜,會影響老化的因素也不僅止於飲食,然而維持平衡且有規律的飲食習慣,加上適當的限制進食時間,也許是一種相對可行,且有效促進健康老化的方式。也期待未來更多相關研究,能協助我們進一步釐清這些結果在人類中是否相同。

參考文獻


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