Transformation of local Ca2+ spikes to global Ca2+ transients: the combinatorial roles of multiple Ca2+ releasing messengers 促使局部钙高效转化为总体钙暂态：复合钙释放催化剂的组合作用
钙泵（calcium pump）在每个方向仅长几个纳米，并且存在于细胞膜中。不过，尽管它的尺寸很小，但它对生命是必不可少的。钙泵是我们的肌肉能够收缩和神经元能够发送信号的原因。如果这种微小的钙泵停止工作，那么细胞之间就会停止通信。这就是为什么细胞要消耗如此多的能量---身体中大约四分之一的被称作ATP的燃料---来维持这些钙泵运转。
关于这种至关重要的钙泵的结构和功能，我们仍然知之甚少。对这种钙泵的了解是理解体内的能量平衡和其他的重要功能所必不可少的。
在一项新的研究中，来自丹麦、美国和英国的研究人员首次展示了钙泵在单分子水平上如何发挥功能，以及它如何确保离子单方向泵送。相关研究结果发表在2017年11月16日的Nature期刊上，论文标题为“Dynamics of P-type ATPase transport revealed by single-molecule FRET”。论文通信作者为来自丹麦奥胡斯大学的Poul Nissen和美国康奈尔大学的Scott C. Blanchard。
分子基础
这项新研究的一项至关重要的见解涉及离子运输的单向性。在此之前，人们认为钙泵的单向运输是在切割富含能量的ATP分子中产生的。这种假设是当ATP被切割时，钙泵不能够往回走和重新形成ATP。结果证实这种假设是不正确的。
论文第一作者Fellow Mateusz Dyla博士说，“在泵送周期（pumping cycle）中，我们鉴定出一种新的封闭状态，而且仅当钙离子来自胞内液体时，这种钙泵才能够进入这种泵送周期，并切割ATP。如果钙离子来自细胞所在的环境，那么这种钙泵不能够进入这种封闭状态。当钙离子从这种状态中释放出来时，它就处于只能进不能退的地步。正是这种机制解释了这种钙泵作为泵发挥作用，而不仅仅是一种被动运输的离子通道。这一独特的见解是基于高度先进的实验。这些实验能够让我们首次观察到这种钙泵执行它的功能。”
这种钙泵需要能量，而能量是从它切割ATP分子中获得的。释放出来的能量转化为这种钙泵的运转。这就解释了细胞内部和外部之间存在着非常大的浓度梯度。这种浓度差异能够超过1万倍，而且这一巨大的浓度差异对细胞间通信（如神经信号转导）是至关重要的。
钙离子 Ca2+
本地钙离子向全球性钙离子的演变——多种释放钙离子的信使的多面手角色
隔膜的高技术壁垒在整个动力锂电池原材料中相对较高，核心技术被日本、美国等一些国家的企业垄断，导致我国隔膜生产企业生产的隔膜质量对比国际水平仍存在较大差距。
全球市场电动化共同进行发展，中国、美国、欧洲都在税收优惠与碳排惩罚和新能源车补贴，等方面均已推出了各自的方针，所以全球新能源汽车目前处于上升状态，那么锂电池的需求量也非常的大。而隔膜的生产技术在锂电材料中技术壁垒最高，其龙头企业恩捷股份有什么投资机会值得咱们留心？
在对恩捷股份进行详细的测评前，不如看看我整理的这份锂电材料龙头股名单，大家可以了解一下：宝藏资料！锂电材料行业龙头股一览表
一、公司角度
公司介绍：恩捷股份主营业务为提供多种包装印刷产品、包装制品及服务；锂电池隔离膜、铝塑膜、水处理膜等领域。产品可以划分为三类：一是膜类产品，主要包括锂离子隔离膜、BOPP薄膜；二是包装印刷产品，主要包括烟标和无菌包装；三是纸制品包装，主要包括特种纸产品和转移膜等。作为恩捷股份核心增长点是锂电池隔膜，为全球领先的锂电池隔膜行业领航者。
大致研究完公司基础概况后，那么下面大伙一块来了解一下公司独特的投资价值。
亮点一：极高的技术壁垒
锂离子电池隔膜将是锂电池四大关键组件中技术壁垒最高的组件，整个过程工艺复杂，流程繁多，上游的采购需要向各个设备生产厂家定制，下游需要得到客户认证（认证时间一年到两年不等），再者锂电池行业的发展得很快，需要持续投入研发以获得更高性能的复合隔膜，这说明了，假如企业具备先发优势，短期几乎无法被超越。
而恩捷股份在2018年收购上海恩捷，2018-2020年分别并购江西通瑞、苏州捷力和纽米科技，快速占领了湿法隔膜领域市场，成为全球该领域中的领导企业，在国内也是该领域里的龙头企业，地位相当稳固。
亮点二：产能全球第一，深度绑定国内外大客户
2020年恩捷股份已储备33亿平湿法隔膜有效产能，现在是隔膜供应方面的全球第一企业，能满足全球中高端锂电池客户需求，同时恩捷股份已是全球领先动力电池厂商CATL、松下、LG以及三星等核心供应商。在2021年，美国电池龙头企业Ultium Cells, LLC业和恩捷股份达成了合作协议，恩捷股份的客户版图进一步扩张，全球龙头的地位又一次得到稳定。
碍于文章字数受限，更多对恩捷股份的深入分析和风险评估，我整理在这篇研报当中，点击该链接便能知道：【深度研报】恩捷股份点评，建议收藏！
二、行业角度
锂电池里边，锂电池隔膜是最不可缺少的材料之一，锂电池市场规模的大小决定了隔膜市场的规模大小，各国正积极推进新能源车普及，新能源车即将迎来飞速发展，使得锂电池隔膜也相应迎来高增长。而且随着现在锂离子电池应用的范围越来越广了，就像能量存储和可穿戴式智能设备等方面，这会使锂离子电池隔膜产业发展的速度加快。
总之，恩捷股份作为行业内其他企业的标杆，拥有绝对的竞争优势，未来能够从行业发展中取得一定好处，十分看好公司的发展前景。但是文章具有相对时效性，如果想看看恩捷股份未来行情，不妨点一下链接，有专业的投顾给你解读股票，看下恩捷股份估值是否高了：【免费】测一测恩捷股份现在是高估还是低估？
应答时间：2021-12-06，最新业务变化以文中链接内展示的数据为准，请点击查看
除了电解质，锂离子电池的主要材料包括正极材料、负极材料和隔膜。由于其良好的机械性能、化学稳定性和高温自闭性能，锂离子电池隔膜可以从隔离正负电极、允许锂离子通过、防止高温引起的电池爆炸等方面提高锂离子电池的综合性能。从而使锂离子电池在能量密度、循环寿命、环保性和安全性方面比传统的铅酸和镍镉电池更具优势，使锂离子电池能够取代传统的铅酸和镍镉电池，广泛应用于新能源汽车、储能电站和电动自行车。因此，锂离子电池隔膜已经成为锂离子电池生产的关键材料之一，甚至是其产业链的重要组成部分。
需求正在迅速增长
根据中国汽车工业协会的数据，6月份，中国新能源汽车产销量分别为万辆和万辆，分别比上年同期增长和；1-6月，全国新能源汽车产销量分别为万辆和万辆，分别比上年同期增长和；其中，纯电动汽车产销量分别为万辆和万辆，分别比上年同期增长和；插电式混合动力汽车产销量分别为10万辆和万辆，同比分别增长和。从上半年新能源汽车产销量增长率来看，今年我国新能源汽车产销量分别突破100万辆的概率很大。
《打赢蓝天保卫战三年行动计划》提出，到2020年，我国新能源汽车产销量将达到200万辆，这意味着未来两年我国新能源汽车产销量年增长率将超过30%。保守估计每辆车需要50KWh电池，每节Wh电池需要平方米的电池隔板。2018年，仅中国新能源汽车就需要5000-10亿平方米锂电池分离器，到2020年，将需要10-20亿平方米锂电池分离器，锂电池分离器增长潜力。
但由于隔膜的生产工艺技术壁垒较高，其成本约占锂离子电池成本的10%-20%，毛利率可达50%-60%，是四大材料中毛利率最高的产品。因此，锂电池隔膜也被业界认为是锂离子电池产业链中最有价值的行业之一。
中国隔膜行业没有竞争力
据GGII统计，2017年我国锂电池隔膜产量增长，隔膜国产化率进一步提高，从2016年的85%提高到2017年的90%，出口量持续增长；但这并不能掩盖中国锂电池隔膜行业竞争力较弱的事实:目前中国国内隔膜企业主要以中低端产能为主，高端产能较小，国内中高端隔膜以进口为主。
中国隔膜行业竞争力弱主要是由以下原因造成的:
一是我国锂电池隔膜行业起步较晚，隔膜行业相关技术储备不足。目前，锂离子电池隔膜的制备技术主要包括三种:干单轴拉伸、干双轴拉伸和湿法。干单轴拉伸技术及相关专利主要掌握在美国Celgard公司和日本Ube公司手中；湿法工艺技术及相关专利主要掌握在日本旭化成等企业手中；虽然星源材料在2008年自主研发了干单轴拉伸技术并获得了相应的专利技术，中科院化学研究所研究了自主研发的双轴拉伸技术，但该技术的成熟程度与国外相关专利数量相比仍有一定差距。
第二，技术壁垒高。为了满足锂离子电池高工作电压、小体积、高能量密度和高放电功率的要求，隔膜材料必须与具有高电化学活性、微孔结构和孔径分布的一致性、合适的厚度、离子渗透性、孔径和孔隙率、足够的化学稳定性、热稳定性和机械稳定性等的正负材料具有优异的相容性。，对隔膜产品的原料配方设计、微孔制备技术和成套设备设计提出了高标准的要求。目前国内隔膜在上述原料配方、微孔制备技术、成套设备设计等方面与国外隔膜仍有明显差距。关键技术和设备水平的缺乏导致国产隔膜一致性和稳定性相对较差，这也在一定程度上影响了锂离子电池的性能。
第三是人才问题。高品质锂离子电池隔膜的研发、生产和制造技术涉及高分子材料、材料加工、纳米技术、电化学、表面与界面科学、机械设计与自动化控制技术、成套设备设计等多个学科。也需要上述领域专业人士的配合，但国内相关人才培养和储备仍然严重不足。
第四，产业集中度低。目前，我国虽然已经形成了具有一定规模和技术水平的锂离子电池隔膜生产行业；但中国的锂离子电池隔膜制造商规模小、技术水平低、市场份额低，与占据国际市场份额一半以上的日本旭化成、美国塞尔加德、东然化工、韩国SKI、日本宇部等国际巨头明显不同。
当然，经过多年的发展，中国的锂电池隔膜行业涌现出了很多优秀的企业，比如兴源材料。他们拥有自主技术，市场份额逐年增加，竞争力也逐年提高。
沧州珍珠加快产能扩张
沧州明珠是国内最大的锂电池分离器企业之一，也是国内少数能同时生产干式分离器、湿式分离器和涂层改性分离器产品的企业之一。其锂电池隔膜产品已进入国内较大的锂电池制造商，如比亚迪、宁德时代、天津李绅、郭萱高新、AVIC锂电池等企业。
2017年，沧州明珠湿式锂离子电池隔膜产品销量万平方米，同比增长。2017年，its 锂电池隔膜产销量达到吨，分别增长和吨，分别增长和吨。生产和销售的增加也导致了锂电池隔膜的运营收入的增加。2017年锂电池隔膜的营业收入达到亿元，同比增长，增幅为亿元。虽然营业收入增加，但its 锂电池横膈膜毛利率下降，2017年毛利率为，同比下降个百分点。
较高的毛利率和快速增长的市场使沧州明珠的产能一直以锂电池隔膜的速度增长。2017年，其全资子公司德州东虹膜建成的“年产6000万平方米湿式锂离子隔膜项目”按计划顺利完工，两条生产线分别于当年4月和7月竣工投产；一条生产线于2017年7月竣工投产，其他生产线也于今年7月竣工投产。
2017年10月，由其全资子公司漳州隔膜科技投资建设的“年产5000万平方米干式锂离子电池隔膜项目”也开始实施，预计今年年底或明年年初投产；这些项目完成后，沧州明珠的产能将大幅增加，其隔膜产品的产品结构将更加完善，市场份额将提高，行业地位将进一步凸显。
随着产能的扩大，沧州明珠的科研投入也在增加，但略显不足。2017年，R&D员工86人，比上年同期74人增长；R&D人员与员工的比例为，比去年同期的提高了个百分点；R&D投资方面，虽然绝对金额有所增加，但从2016年的万元增加到2017年的万元。
然而，R&D投资占营业收入的比重有所下降，2017年比2016年低个百分点。显然，沧州明珠R&D投资的增长与其经营收入的增长存在较大差距，可能不利于其后续竞争力的提升。
产能扩张仍有巨大的资金空间
沧州明珠的快速扩张是基于企业良好的财务业绩。梳理2017年以来每个季度的资产负债率，发现其资产负债率逐季度下降。2018年第一季度，其资产负债率仅为，负债仍有巨大提升空间；看其流动性比率和速动比率逐季度增长。到2018年第一季度，其流动性比率高达，速动比率高达，两者都远远大于1。因此，其偿付能力非常强，这也为其扩张创造了巨大的空间。
星源材料产能、研发同步扩张
星源物资是国内最大的锂电池分离器制造商之一，主要从事锂电池分离器的研发、生产和销售。是国内为数不多的掌握干法、湿法和涂膜制备技术，并实现了走出去为国际知名电池厂商供货的企业。2017年，星源材料锂离子电池隔膜产量达到亿平方米，比上年同期亿平方米增长；销售额达到万平方米，比去年同期的万平方米增长。
2017年，星源物资实现营业总收入亿元，同比亿元增长，实现营业利润亿元，同比下降；上市公司股东应占净利润亿元，同比下降；毛利率，同比下降个百分点。
为了满足市场需求，增强竞争力，兴源物资也积极扩大产能。2017年，在江苏省常州市成立全资子公司常州兴元，将原投资项目“第三代高性能动力锂离子电池隔膜生产线扩建项目”变更为江苏省常州经济开发区常州兴元实施的“年产亿平方米锂离子电池湿隔膜及涂隔膜项目”。项目总投资16亿元，计划建设8套湿隔膜膜生产线和24条多功能镀膜隔膜生产线；项目建设期为二期，年产锂离子电池湿式隔膜和涂层隔膜亿平方米。
6月15日，星源物资宣布拟募集不超过20亿元人民币用于超级涂料厂项目建设。项目投产后，锂离子电池干式隔膜年生产能力将达到4亿平方米，高性能锂离子电池涂层隔膜年加工能力将达到10亿平方米。上述项目完成后，星源材料的产能至少翻两番，市场竞争力和行业地位将大大提升。
在产能大幅扩大的同时，星源材料在R&D的投资也在不断增加。2017年，R&D员工达到185人，比上年同期的135人增长；企业从业人员比例达到，比上年同期提高个百分点；R&D投资万元，比去年同期的万元增长；占营业收入的，比去年同期的增长个百分点。
高R&D投资带来高产出。截至2017年底，星源材料已获得58项授权专利，其中发明专利32项(含1项国外授权发明专利)，实用新型专利26项3项新。
容量扩展的金融空间
相比沧州明珠，星源物资的资产负债相对较弱。梳理星源物资近五个季度的资产负债率，发现星源物资的资产负债率逐季度上升。2018年一季度，资产负债率达到，处于合理区间，增长空间不大；而其电流比和速动比都处于良好状态。2018年一季度，其流动比率为，速动比率为，两者均大于1，显示出良好的偿付能力和较大的扩张空间。
胜利精密隔膜业务发展迅速
胜利精密的主要业务是精密制造、智能制造和新能源。目前，胜利精密的新能源业务包括锂电池湿隔膜和智能汽车制造业务，即锂电池湿隔膜生产、R&D和智能汽车核心结构模块生产，主要提供湿基膜、镀膜和中控显示模块结构等产品。
胜利精密的隔膜业务主要通过子公司苏州李杰进行。2017年，胜利精密新增2条基膜生产线和5条镀膜生产线。现在有8条湿膜生产线，基膜设计产能近4亿平方米/年；现有13条涂布覆膜生产线，设计产能亿平方米/年。
2017年，胜利精密的锂电池隔膜业务实现快速增长。隔膜产量达到16159万平方米，比2016年的8079万平方米增长；销售额达到亿平方米，比2016年的7552万平方米增长；其隔膜业务的营业收入也大幅增加。2017年，隔膜业务实现营业收入亿元，比上年同期亿元增长；毛利率达到，同比下降个百分点。
胜利精密虽然鼓励创新，重视研发，但自2015年以来申请专利近400项，其中发明专利近200项，PCT专利22项，注册软件著作权11项；然而，其在R&D的投资相对较低。胜利精密R&D人员虽然持续增长，但2017年达到1696人，比上年同期的1499人增长；然而，其R&D人员占企业员工人数的比例正在下降，2017年为，比上年同期下降个百分点；R&D投资占企业营业收入的比重也保持在左右，相对较低。
产能扩张的资金空间有限
梳理胜利精密近五个季度的资产负债率，发现其资产负债率基本维持在50%左右。2018年第一季度，其资产负债率为，处于合理区间；而其当前比率为，速动比率已降至，小于1。其偿付能力虽然不是问题，但已经被大大削弱，值得警惕，扩张空间有限。
佛塑科技隔膜业务稳步增长
佛山塑料科技主要从事各种先进高分子功能薄膜的生产和销售。目前专注于新能源、新能源汽车、高端电子信息、节能环保等战略性新兴产业的高分子功能薄膜等新材料研发生产，已逐步形成以透析材料、光电材料、阻隔材料为框架的产业布局。Its 锂电池隔膜行业主要通过参与惠今高新来实现。
2017年，其光电材料业务与锂电池振膜业务共生产吨，比上年同期的吨增长；销售额吨，比去年同期的吨增长；营业收入达到亿元，比去年同期的亿元增长；毛利率达到，同比下降个百分点。
显然，佛教整形技术也更注重研发。2017年，R&D员工增加，达到401人，占公司员工总数的，比2016年的增长个百分点；R&D投资万元，占营业收入的，与2016年基本持平。佛山塑料科技及其控股子公司新增专利申请17项，其中发明专利申请11项；授予新发明专利8项，新实用新型专利8项，10项新产品通过广东省高新技术产品认证。
产能扩张没有财务空间
与沧州明珠、星源材料、胜利精密相比，佛山塑料科技偿付能力较差。从2017年开始，佛苏科技的速动比率一直在1以下。2018年一季度，其速动比率仅为，流量比率仅为，不到1；虽然其资产负债率仍在合理范围内，但一季度资产负债率仅为；然而，其糟糕的偿付能力限制了其进一步杠杆化的空间，其扩张能力也受到严重限制。如果经营环境发生变化，可能会陷入债务危机。
未来竞争将会加剧
隔膜龙头企业忙着扩张，有猫腻的资本和企业也开始大举进入。7月3日，创新股份有限公司宣布，计划在江苏省无锡市实施无锡恩杰新材料产业基地项目。该项目计划建设16条全自动进口薄膜生产线、40条镀膜生产线和5条铝塑薄膜进口生产线；7月4日，普泰来宣布拟以亿元人民币收购宁波彭锋所持溧阳悦泉的股权，进入锂电池湿隔膜业务。
据GGII统计，2017年中国锂电池隔膜产量达到亿平方米；随着新产能的逐步投产，中国的锂电池隔膜可能会出现严重的供过于求的局面；届时锂电池隔膜的市场竞争将进一步加剧，激烈的价格战可能不可避免。那时，只有那些拥有核心技术、强大R&D能力和优秀财务业绩的企业才能在激烈的竞争中取胜和成长，而其他企业只能被淘汰和退出。
对电池安全性和成本有直接影响，其主要作用是：隔离正、负极并使电池内的电子不能自由穿过，让电解液中的离子在正负极之间自由通过。电池隔膜的的离子传导能力直接关系到电池的整体性能，其隔离正负极的作用使电池在过度充电或者温度升高的情况下能限制电流的升高，防止电池短路引起爆炸，具有微孔自闭保护作用，对电池使用者和设备起到安全保护的作用。 1.提供具有可纺性的前驱体溶液;2.利用气流将前驱体溶液拉伸成纳米纤维,并通过成网机收集纳米纤维,以获得纳米纤维无纺布膜;3.对纳米纤维无纺布膜进行热处理,获得电池隔膜
太阳能电池是实现光能到电能转换的光伏器件。在光电转换过程中，光伏器件内部 经历了光生电荷的产生、分离、转移、输运、复合、抽取等多个体相和界面动力学过程。这些电荷动力学过程本质上主导着器件本身的性能。 如何精确测量些微观动力学参数？如何准确理解这些动力学过程的物理机制? 是光电、电光领域的重要研究课题。也是评价材料性能和指导器件结构优化进而提高器件性能的必由之路。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心孟庆波团队在 探索 高性能薄膜新型太阳能电池的同时一直致力于开发用于太阳能电池的电荷动力学和缺陷态等物理性质的量化测量和分析方法，已经取得了一系列研究成果。比如成功研制了可调控的太阳能电池瞬态光电测量系统， 实现了太阳能电池在实际工作状态下电荷动力学的测量 （Rev. Sci. Instrum. 2016, 87, 123107）， 成功应用于钙钛矿太阳能电池离子动力学的测量 （Appl. Phys. Lett. 2015, 107, 163901）； 量化分析了太阳能电池的界面和体相缺陷分布，并用于阐明了钙钛矿太阳能电池的电学稳定性问题的界面起源 （Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1901352）。
从光伏器件的 差分电容 入手研究了基于电瞬态表征技术的常规带尾态模型理论框架的有效性问题，指出该模型在电池测量状态的一致性和对太阳能电池光电压产生的物理过程等方面存在不合理假设，证明带尾态模型理论分析方法在太阳能电池测量和研究不具备的普适性。
通过 理论计算 模拟电瞬态表征技术背后器件的载流子动力学和电荷损失机制，他们提出了一种新的量化太阳能电池电荷损失的理论分析方法，可以从电瞬态表征技术中定量提取光伏器件的电荷动力学量子效率和相关缺陷态信息（例如：定量化器件中电荷抽取和收集量子效率以及吸收层中的缺陷态密度）。该方法对于常规硅太阳能电池、新兴的铜锌锡硫太阳能电池和钙钛矿太阳能电池具有很好的普适性，并且能够扩展到其他类似结构的光伏器件。 这项工作为全面研究太阳能电池中载流子动力学过程和电荷损失机制提供了有效的途径，并在其他光电器件中具有潜在的应用价值。
该工作以“Exploiting Electrical Transients to Quantify Charge Loss in Solar Cells”为题，发表在Joule杂志上 （Joule 4, 472–489）。物理所博士研究生李一明和物理所石将建副研究员为该论文的共同第一作者，物理所孟庆波研究员为该论文的通讯作者。这项研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院和 科技 部的支持。
图1. 对于器件差分电容的精确测量
图2. 钙钛矿吸收层中电荷传输的模拟和光电压的建立过程
图3. 钙钛矿太阳能电池中的电瞬态研究：Device A and B光电转换效率 （A）量化电荷抽取和收集量子效率（B）以及钙钛矿吸收层中的缺陷态密度（C）。
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导读
背景
1839年，德国矿物学家古斯塔夫·罗斯（Gustav Rose）站在俄罗斯中部的乌拉尔山脉上，拾起一块以前从未被发现的矿物。
那时，他并没有听说过“晶体管”或“二极管”，也没想到电子器件会成为我们日常生活的一部分。更出乎他意料的是，他手中的这块被他以俄罗斯地质学家 Lev Perovski 的名字命名为“钙钛矿（perovskite）”的这块矿石，会成为彻底变革电子器件的关键因素之一。
钙钛矿如此重要的地位，离不开它特殊的结构。钙钛矿材料结构式一般为ABX3，其中A为有机阳离子, B为金属离子, X为卤素基团。该结构中, 金属B原子位于立方晶胞体心处, 卤素X原子位于立方体面心, 有机阳离子A位于立方体顶点位置。
钙钛矿结构稳定，有利于缺陷的扩散迁移，具备许多特殊的物理化学特性，例如电催化性、吸光性等。
过去十年，钙钛矿因为制造起来更便宜、更绿色，效率可与硅太阳能电池相媲美，逐渐成为硅太阳能电池的替代品。
然而，钙钛矿仍会表现出明显的性能损耗以及不稳定性。迄今为止，大多数的研究集中在消除这些损耗的方法，然而真正的物理原因仍然是未知的。
创新
近日，在一篇发表在《自然（Nature）》期刊上的论文中，来自剑桥大学化学工程与生物技术系以及卡文迪许实验室 Sam Stranks 博士的研究小组，以及日本冲绳科学技术大学院大学 Keshav Dani 教授的飞秒光谱学单位的研究人员们，找到了问题的根源。他们的发现，将使得提升钙钛矿的效率变得更容易，从而使它们离大规模量产更近。
技术
当光线照射钙钛矿太阳能电池时，或者当电流通过钙钛矿LED时，电子被激发，跳跃到更高的能态。带负电荷的电子留下了空白，也称为“空穴”，它带正电荷。受激发的电子与空穴都可以通过钙钛矿材料，因此可成为载流子。
但是，在钙钛矿中会产生一种称为“深阱”的特定类型缺陷，带电的载流子会陷入其中。这些被困的电子与空穴重新结合，它们的能量以热量形式丧失，而不是转化为有用电力或者光线，这样就会显著降低太阳能面板和LED的效率以及稳定性。
迄今为止，我们对于这些陷阱知道得很少，部分原因是，它们似乎与传统太阳能电池材料中的陷阱表现得大相径庭。
2015年，Stranks 博士的研究小组发表了一篇研究钙钛矿发光的《科学（Science）》期刊论文，这篇论文揭示了钙钛矿在吸收光线或者发射光线方面有多擅长。Stranks 博士表示：“我们发现，这种材料非常不均匀；相当大的区域是明亮且发光的，而其他的区域则非常黑暗。这些黑暗区域与太阳能电池或者LED中的能量损耗相关。但是，引起这种能量损耗的原因一直是个谜，特别是由于钙钛矿在其他方面非常耐缺陷。”
由于标准成像技术的限制，研究小组无法说明黑暗区域是由一个大的陷阱位引起的，还是由众多小的陷阱位引起的，从而难以确定它们为什么只是在特定区域形成。
后来在2017年，Dani 教授在 OIST 的研究小组在《自然纳米技术（Nature Nanotechnology）》期刊上发表了一篇论文，在论文中他们制作了一个有关电子吸收光线后在半导体中如何表现的影片。Dani 教授表示：“在材料或者器件被照射光线之后，如果你可以观察到电荷是如何在其中移动的，那么你将从中学会很多。例如，你可以观察到电荷会落入陷阱。然而，因为电荷移动得非常快，以一千万亿分之一秒的时间尺度来衡量；并且穿越非常短的距离，以十亿分之一米的长度尺度来衡量；所以这些电荷难以进行可视化观测。”
在了解到 Dani 教授的工作之后，Stranks 博士伸出援手，看看他们是否可以一起合作应对这个问题，对钙钛矿中的黑暗区域进行可视化观测。
OIST 的团队首次对钙钛矿使用了一项称为“光激发电子显微镜（PEEM）”的技术。他们用紫外光探测材料，并用发射的电子形成一幅图像。
观察材料时，他们发现含有陷阱的黑暗区域，长度大约是10到100纳米，由较小的原子尺寸陷阱位聚集而成。这些陷阱簇在钙钛矿材料中分布不均，从而解释了 Stranks 较早的研究中观察到的非均匀发光。
有趣的是，当研究人员将陷阱位的图像覆盖到显示钙钛矿材料晶粒的图像上时，他们发现陷阱簇仅在特定的地方形成，即某些晶粒之间的边界上。
为了理解这种现象为什么只发生在特定晶粒的边界上，研究人员小组与剑桥大学材料科学与冶金系教授 Paul Midgley 的团队合作，他采用了一项称为“扫描电子衍射”的技术，创造出了钙钛矿晶体结构的详细图像。Midgley 教授的团队利用了位于金刚石光源同步加速器 ePSIC 设施中的电子显微镜装置，该设施拥有用于成像像钙钛矿这样的光束敏感材料的专用设备。
Stranks 研究小组的博士生、这项研究的共同领导作者 Tiarnan Doherty 表示：“因为这些材料是超级光束敏感的，你在这些长度尺度上用来探测局部晶体结构的一般技术，实际上会相当快地改变你正在观察的材料。取而代之的是，我们可以用非常低的照射剂量，从而防止损伤。”
“我们从 OIST 的工作中知道了陷阱簇的位置，并且我们在 ePSIC 围绕着同一块区域扫描，以观察局部结构。我们能够快速地查明晶体结构中陷阱位附近的意外变化。”
研究小组发现，陷阱簇只在材料中具有轻微扭曲结构的区域与具有原始结构的区域的结合处形成。
Stranks 博士表示：“在钙钛矿中，我们拥有这些规则的马赛克晶粒材料，这些晶粒大多数都是又好又崭新的，这是我们所希望的结构。但是，每隔一段时间，你就会得到一个稍微形变的晶粒，这个晶粒的化学成分是不均匀的。真正有意思的，也是一开始让我们困惑的，就是形变的晶粒并没有成为陷阱，而是这个晶粒遇到原始晶粒的地方；陷阱是在那个结合处形成的。”
通过对于陷阱本性的理解，OIST 的团队也采用了定制的 PEEM 仪器来可视化观测钙钛矿材料中载流子落入陷阱的动态过程。Dani 研究小组的博士生、这项研究的共同领导作者 Andrew Winchester 解释道：“这是可能的，因为 PEEM 的特征之一就是，可对超高速的过程进行成像，短至飞秒。我们发现，陷落的过程受到扩散到陷阱簇的载流子的控制。”
价值
这些发现代表了为了把钙钛矿带向太阳能市场所取得的一项重要突破。
Stranks 博士表示：“我们仍然无法准确地知道，为什么陷阱聚集在那里，但是我们现在知道它们确实在那里形成，并且只有那里。这非常令人振奋，因为这意味着我们现在可以知道如何有针对性地提升钙钛矿的性能。我们需要针对这些非均匀相，或者以某种方式去除这些结合处。”
Dani 教授表示：“载流子必须首先扩散到陷阱，这一事实也为改善这些器件提出了其他方案。也许，我们可以改变或者控制这些陷阱簇的排列，而无需改变它们的平均数，这样一来，载流子就不太可能到达这些缺陷部位。”
团队的研究集中在一种特殊的钙钛矿结构。科学家们也将研究这些陷阱簇是否在所有的钙钛矿材料中都是普遍存在的。
Stranks 博士表示：“器件性能的大部分进展都是经过反复试错的，然而目前为止，这一直是一个低效率的过程。迄今为止，这个过程还没有真正被‘理解特定原因以及系统性针对该原因’所驱动。它是这方面最重要的突破之一，将帮助我们采用基础科学来设计更高效的器件。”
关键字
参考资料
【1】Liu, ., Johnston, . and Snaith, . (2013) Efficient Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells by vaPour Deposition. Nature, 501, 395-398.
【2】Tiarnan A. S. Doherty, Andrew J. Winchester, Stuart Macpherson, Duncan N. Johnstone, Vivek Pareek, Elizabeth M. Tennyson, Sofiia Kosar, Felix U. Kosasih, Miguel Anaya, Mojtaba Abdi-Jalebi, Zahra Andaji-Garmaroudi, E Laine Wong, Julien Madéo, Yu-Hsien Chiang, Ji-Sang Park, Young-Kwang Jung, Christopher E. Petoukhoff, Giorgio Divitini, Michael K. L. Man, Caterina Ducati, Aron Walsh, Paul A. Midgley, Keshav M. Dani, Samuel D. Stranks. Performance-limiting nanoscale trap clusters at grain junctions in halide perovskites . Nature, 2020; 580 (7803): 360 DOI:
【3】
测定水中钙镁含量时,溶液的pH应控制在10左右.增高PH值,可提高滴定的灵敏度,但PH过高时,容易产生钙镁离子的沉淀；如PH偏低,镁离子与指示剂的络合较松散,容易使滴定终点提前,引起较大偏差.所以根据实际测定EDTA的酸效应得知,PH=10时,是测定钙镁离子的最隹条件.
水中含钙离子、镁离子就说明是硬水用肥皂水可以检验出来。方法：将一部分水放容器内，放入少许肥皂水并且搅拌，过一段时间，如果有白色絮状物体，说明是硬水，也就是含有钙离子、镁离子。如果没有，说明是软水，也就是不含有钙离子、镁离子。
自来水中总硬度的测定一、目的要求1.掌握钙指示剂、EBT的使用；2.掌握EDTA溶液的标定方法；3.掌握水中钙、镁离子的测定方法二、实验原理1.标定标定的基准物有：金属Zn、ZnO、CaCO3等。Ca2++HIn2－=CaIn－+H＋Ca2++H2Y2－=CaY2－+2H+CaIn－+H2Y2－=CaY2－+HIn2－+2H+红色 蓝色2.测定水的硬度是指水中除碱金属外的全部金属离子的浓度。由于Ca2+、Mg2+含量远比其它金属离子为高，所以通常以水中Ca2+、Mg2+ 总量表示水的硬度。用度表示（1○=10mgCaO）。用EDTA配位滴定法测定水的硬度是一个准确而快速的方法，它是在pH=10的氨性缓冲溶液中，以铬黑T为指示剂，用EDTA标准溶液直接测定水中的Ca2+ 和Mg2+。pH=10时，Ca2+ 和Mg2+与EDTA生成无色配合物,铬黑T则与 Ca2+ 、Mg2+生成红色配和物。由于lgKCaIn
红色 蓝色在测定水中 Ca2+、Mg2+含量时，因当Mg2+与EDTA定量配合时，Ca2+ 已先与EDTA定量配位完全，因此，可选用对Mg2+较灵敏的指示剂来指示终点。如果水样中存在 Fe3+、Al3+、Cu2+时，对铬黑T有封闭作用，可加入Na2S使Cu2+成为CuS沉淀，在碱性溶液中加入三乙醇胺掩蔽 Fe3+、Al3+。
水硬度的测定 实验目的： 1 ．了解水的硬度的概念，测定水硬度的意义，以及水的硬度的表示方法； 2 ．理解 EDTA 测定水中钙、镁含量的原理和方法，包括酸度控制和指示剂的选择； 3 ．测定过程中加入 Mg-EDTA 的作用及其对测定结果的影响。 实验原理： 水的硬度最初是指钙、镁离子沉淀肥皂的能力。水的总硬度指水中钙、镁离子的总浓度，其中包括碳酸盐硬度 ( 即通过加热能以碳酸盐形式沉淀下来的钙、镁离子，故又叫暂时硬度 ) 和非碳酸盐硬度 ( 即加热后不能沉淀下来的那部分钙、镁离子，又称永久硬度 ) 。 硬度的表示方法尚未统一，目前我国使用较多的表示方法有两种：一种是将所测得的钙、镁折算成 CaO 的质量，即每升水中含有 CaO 的毫克数表示，单位为 mg·L-1 ；另一种以度 ( °) 计：1硬度单位表示 10 万份水中含1份 CaO( 即每升水中含 10mgCaO) ， 1° ＝ 10ppm CaO 。这种硬度的表示方法称作德国度。 【工业用水和生活饮用水对水的硬度的要求】我国生活饮用水卫生标准规定以 CaCO3 计的硬度不得超过450mg·L-1 。 Ca2+ + EDTA = Ca-EDTA Mg2+ + EDTA = Mg-EDTA 实验预习： 了解配制和标定EDTA标准溶液的方法； 了解测定的水的总硬度的原理和方法 。 基本操作： EDTA标准溶液的配制和标定； 酸式滴定管的基本操作。 实验步骤： 在一份水样中加入 pH= 的氨性缓冲溶液和少许铬黑 T 指示剂，溶液呈红色；用 EDTA 标准溶液滴定时， EDTA 先与游离的 Ca2+ 配位，再与 Mg2+ 配位；在计量点时， EDTA 从 MgIn- 中夺取 Mg2+ ，从而使指示剂游离出来，溶液的颜色由红变为纯蓝，即为终点。 当水样中 Mg2+ 极少时，由于 CaIn- 比 MgIn- 的显色灵敏度要差很多，往往得不到敏锐的终点。为了提高终点变色的敏锐性，可在 EDTA 标准溶液中加入适量的 Mg2+ （在 EDTA 标定前加入，这样就不影响 EDTA 与被测离子之间的滴定定量关系），或在缓冲溶液中加入一定量的 Mg—EDTA 盐。 水的总硬度可由 EDTA 标准溶液的浓度 cEDTA 和消耗体积 V1 （ ml ）来计算。以 CaO 计，单位为 mg/L. 注意事项： 测定总硬度时用氨性缓冲溶液调节pH值； 注意加入掩蔽剂掩蔽干扰离子，掩蔽剂要在指示剂之前加入； 测定总硬度的时候在临近终点时应慢滴多摇； 测定时要是水温过低应将水样加热到30～40�0�2C再进行测定。 问题分析： 1 ．本实验中移液管是否要用去离子水润洗？锥形瓶是否要用去离子水润洗？ 2 ．络合滴定近终点时， EDTA 置换 M-In 中的指示剂的反应速度略慢，因此需多摇慢滴。 3 ．剩余的 EDTA 溶液回收（塑料回收桶在通风橱内），将用于设计实验。 常用工具： 主要试剂和仪器 ， NH3-NH4Cl 缓冲溶液（ pH~10 ）， 10%NaOH 溶液，铬黑 T 指示剂 碱式滴定管，锥形瓶，洗瓶，容量瓶，吸移管，吸耳球，烧杯，试剂瓶，分析天平，称量瓶
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有机阳离子以及卤素阴离子空位缺陷是制约钙钛矿太阳能电池高效率以及长期稳定性的主要因素，如何同时消除这两种缺陷是当下的难题。基于此，北京大学工学院周欢萍研究员课题组提出一种新的消除机制，即在钙钛矿活性层中引入氟化物，利用氟极高的电负性，实现氟化物同时与有机阳离子形成强氢键以及与铅离子形成强离子键的双重效果。研究从而有效消除了有机阳离子以及卤素阴离子的空位缺陷，大大提升了电池的光电转换效率和长期稳定性。相关研究于2019年5月13日在国际顶级学术期刊《自然能源》( Nature Energy )上发表，题为“Cation and anion immobilization through chemical bonding enhancement with fluorides for stable halide perovskite solar cells”(doi:)。 太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源备受研究人员关注，而将太阳能转换为电能的太阳能电池也是世界上众多课题组青睐的材料。近年来，有机无机杂化钙钛矿太阳能电池以其高效率、低成本的优势获得了学术界和产业界的众多关注，而其光电转换效率也在短短几年内迅速提升至％，是单节电池中当下效率最高的薄膜太阳能电池。 然而，这类电池稳定性不佳是严重阻碍其商业化应用的主要因素。相比于传统无机光伏材料，有机-无机杂化钙钛矿材料晶格较软，且是一种离子晶体，易在外界环境的干扰下发生离子迁移，形成大量的空位缺陷，从而诱导晶格塌缩以及组分分解，从而使其不再具备优异的光电转换能力。 在众多的空位缺陷中，卤素阴离子和有机阳离子空位由于其较低的缺陷形成能而普遍存在于钙钛矿表面以及晶界，该两种空位缺陷不仅会影响太阳能电池的工作效率，且会诱导钙钛矿晶体的进一步退化，形成更多的体相缺陷。针对这两种缺陷之前报道的工作主要集中在钝化单一缺陷，即有机阳离子或卤化物空位，无法做到“鱼与熊掌兼得”。如何同时消除这两种缺陷，实现钙钛矿太阳能电池的更高效率和高稳定性是钙钛矿材料目前最为棘手的问题。针对上述重要问题，周欢萍课题组提出了一种全新的消除机制，即通过在钙钛矿活性层中引入氟化钠，利用氟极高的电负性，实现氟化物同时与有机阳离子形成强氢键以及与铅离子形成强离子键的双重效果。基于此离子键和氢键的化学键调制，可以固定钙钛矿组分中的有机阳离子和卤素阴离子，从而消除了相应的空位缺陷，电池效率和稳定性都得到了明显提升。氟化钠引入的电池器件最高效率达到了％(认证值为％)，且没有明显的迟滞现象。同时，引入氟化钠的器件表现出优异的热稳定性和光稳定性，在一个太阳的连续光照射或85°C加热1000小时后，器件仍可分别保持原有效率的95％和90％，在最大功率点处连续工作1000小时后可以保持原有效率的90%。该方法解决了钛矿太阳能电池中限制其稳定性的两个重要因素——有机阳离子和卤素阴离子空位，并可推广至其他的钙钛矿光电器件；且化学键调制的方法对于其他面临类似问题的无机半导体器件也具有重要参考意义。该论文的第一作者是周欢萍课题组的2017级博士生李能旭，周欢萍特聘研究员为通讯作者。合作者还包括埃因霍温理工大学Shuxia Tao课题组和北京理工大学陈棋课题组、北京理工大学洪家旺课题组、香港大学杨世和课题组、中南大学谢海鹏老师、特温特大学Geert Brocks教授等。该工作得到了国家自然科学基金委、 科技 部、北京市自然科学基金、北京市科委、先进电池材料理论与技术北京市重点实验室等联合资助。 周欢萍课题组近期致力于提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性，取得的一系列重要进展相继在 Science (DOI: ), Nature Energy (DOI: ), Nature Communications (DOI: ;DOI: 和 DOI: )， Advanced Materials (DOI: )， Journal of the American Chemical Society (DOI: ) 上发表。