半导体外延生长有哪些方式

外延(Epitaxy, 简称Epi)工艺是指在单晶衬底上生长一层跟衬底具有相同晶格排列的单晶材料，外延层可以是同质外延层(Si/Si)，也可以是异质外延层(SiGe/Si 或SiC/Si等)；同样实现外延生长也有很多方法，包括分子束外延(MBE)，超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)，常压及减压外延(ATM &RP Epi)等等。本文仅介绍广泛应用于半导体集成电路生产中衬底为硅材料的硅(Si)和锗硅(SiGe)外延工艺。根据生长方法可以将外延工艺分为两大类(表1)：全外延(Blanket Epi)和选择性外延(Selective Epi, 简称SEG)。工艺气体中常用三种含硅气体源：硅烷(SiH4)，二氯硅烷(SiH2Cl2, 简称DCS) 和三氯硅烷(SiHCl3, 简称TCS)；某些特殊外延工艺中还要用到含Ge和C的气体锗烷(GeH4)和甲基硅烷(SiH3CH3)；选择性外延工艺中还需要用到刻蚀性气体氯化氢(HCl)，反应中的载气一般选用氢气(H2)。 外延选择性的实现一般通过调节外延沉积和原位(in-situ)刻蚀的相对速率大小来实现，所用气体一般为含氯(Cl)的硅源气体DCS，利用反应中Cl原子在硅表面的吸附小于氧化物或者氮化物来实现外延生长的选择性；由于SiH4不含Cl原子而且活化能低，一般仅应用于低温全外延工艺；而另外一种常用硅源TCS蒸气压低，在常温下呈液态，需要通过H2鼓泡来导入反应腔，但价格相对便宜，常利用其快速的生长率（可达到5 um/min）来生长比较厚的硅外延层，这在硅外延片生产中得到了广泛的应用。IV族元素中Ge的晶格常数(5.646A与Si的晶格常数(5.431A差别最小，这使得SiGe与Si工艺易集成。在单晶Si中引入Ge形成的SiGe单晶层可以降低带隙宽度，增大晶体管的特征截止频率fT(cut-off frequency)，这使得它在无线及光通信高频器件方面应用十分广泛；另外在先进的CMOS集成电路工艺中还会利用Ge跟Si的晶格常数失配(4%)引入的晶格应力来提高电子或者空穴的迁移率(mobility)，从而增大器件的工作饱和电流以及响应速度，这正成为各国半导体集成电路工艺研究中的热点。由于本征硅的导电性能很差，其电阻率一般在200ohm-cm以上，通常在外延生长的同时还需要掺入杂质气体(dopant)来满足一定的器件电学性能。杂质气体可以分为N型和P型两类：常用N型杂质气体包括磷烷(PH3)和砷烷(AsH3)，而P型则主要是硼烷(B2H6)。硅及锗硅外延工艺在现代集成电路制造中应用十分广泛，概括起来主要包括：1．硅衬底外延：硅片制造中为了提高硅片的品质通常在硅片上外延一层纯净度更高的本征硅；或者在高搀杂硅衬底上生长外延层以防止器件的闩锁（latch up）效应。2．异质结双极晶体管（Hetero-junction Bipolar Transistor,简称HBT)基区(base)异质结SiGe外延(图1)：其原理是在基区掺入Ge组分，通过减小能带宽度,从而使基区少子从发射区到基区跨越的势垒高度降低，从而提高发射效率γ, 因而，很大程度上提高了电流放大系数β。在满足一定的放大系数的前提下，基区可以重掺杂，并且可以做得较薄，这样就减少了载流子的基区渡越时间，从而提高器件的截止频率fT (Cut-Off Frequency)，这正是异质结在超高速，超高频器件中的优势所在。 3．CMOS源(source)漏(drain)区选择性Si/SiGe外延：进入90nm工艺时代后，随着集成电路器件尺寸的大幅度减小，源漏极的结深越来越浅，需要采用选择性外延技术 (SEG)以增厚源漏极(elevated source/drain)来作为后续硅化(silicide)反应的牺牲层(sacrificial layer) (图2)，从而降低串联电阻，有报道称这项技术导致了饱和电流(Idsat)有15％的增加。 而对于正在研发中的65/45nm技术工艺，有人采用对PMOS源漏极刻蚀后外延SiGe层来引入对沟道的压应力(compressive stress) (图3)，以提高空穴(hole)的迁移率(mobility)，据报道称实现了饱和电流(Idsat)35％的增加。 应变硅(strain silicon)外延：在松弛(relaxed)的SiGe层上面外延一层单晶Si，由于Si跟SiGe晶格常数失配而导致Si单晶层受到下面SiGe层的拉伸应力(tensile stress)而使得电子的迁移率(mobility)得到提升(图4)，这就使得NMOS在保持器件尺寸不变的情况下饱和电流(Idsat)得到增大，而Idsat的增大意味着器件响应速度的提高，这项技术正成为各国研究热点。一般而言，一项完整的外延工艺包括3个环节：首先，根据需要实现的工艺结果对硅片进行预处理，包括去除表面的自然氧化层及硅片表面的杂质，对于重搀杂衬底硅片则必须考虑是否需要背封(backseal)以减少后续外延生长过程中的自搀杂。然后在外延工艺过程中需要对程式进行优化，如今先进的外延设备一般为单片反应腔，能在100秒之内将硅片加热到1100℃以上，利用先进的温度探测装置能将工艺温度偏差控制在2度以内，反应气体则可通过质量流量计(MFC)来使得流量得到精准控制。在进行外延沉积之前一般都需要H2烘烤(bake)这一步，其目的在于原位(in-situ)去除硅片表面的自然氧化层和其他杂质，为后续的外延沉积准备出洁净的硅表面状态。 最后在外延工艺完成以后需要对性能指标进行评估，简单的性能指标包括外延层厚度和电特性参数, 片内厚度及电特性均匀度(uniformity)，片与片间的重复性(repeatability)，杂质颗粒(particle)数目以及污染(contamination)；在工业生产中经常要求片内膜厚及电性的均匀度<1.5%(1σ)，对硅片厂家来说经常还要考查外延层的扩展电阻率曲线(SRP)以确定是否有污染存在及污染物杂质的量。特别地，对于SiGe工艺我们经常还需要测量Ge的含量及其深度分布，对于有搀杂的工艺我们还需要知道搀杂原子的含量及深度分布。另外晶格缺陷(defect)也是我们必须考虑的问题，一般而言，常常出现的有四种缺陷，包括薄雾(haze)，滑移线(slip line), 堆跺层错(stacking fault) 和穿刺(spike)，这些缺陷的存在对器件性能有很大影响，可以导致器件漏电流增大甚至器件完全失效而成为致命缺陷(killer effect)。一般来讲消除这些缺陷的办法是检查反应腔体漏率是否足够低(<1mTorr/min)，片内工艺温度分布是否均匀，承载硅片的基座或准备的硅片表面是否洁净、平坦等。经过外延层性能指标检测以后我们还需要对外延工艺进一步优化，以满足特定器件的工艺要求。硅衬底外延：硅片制造中为了提高硅片的品质通常在硅片上外延一层纯净度更高的本征硅；或者在高搀杂硅衬底上生长外延层以防止器件的闩锁（latch up）效应。

在一个近交系内，因残余的杂合性或突变等原因，可导致该系动物形成数个具有部分遗传组成差异的分衷，称亚系（substrain）。此外还通常把经过技术处理的品系称为支系（sub.1ine）。饲养环境改变或进行技术处理，可能对动物的某些生物学特征产生影响。这些特征可能是遗传性或非遗传性的，因此有必要对这一类品系进行区分。将实验动物引种到另一个实验室，或经过某种技术处理，包括代乳（foster nursin9，f）或人工代乳（foster on hand-rearin9，fh）、受精卵或胚胎移植（egg or embryo transplant，e）、卵巢移植（ovary transplant，o）、人工喂养（hand-rearin9，h）和冷冻保存（freeze preservation，p）等，都可视为支系。 在原品系名称后加一道斜线“/”，斜线后标明亚系的符号，亚系的符号有以下三种：

⑴数字，如DBA/1。

⑵培育或产生皿系的单位或个人的缩写英文名称，第一个字母用大写，以后的字母用小写。如CBA/J，表示由美国杰克逊研究所保持的CBA的亚系。

⑶当一个保持者保持的一个近交系具有两个以上的亚系时，可在数字后再加保持者的缩写英文名称来表示亚系。如C57BL/6J和C57BL/10J表示美国杰克逊研究所保持的C57BL的两个亚系。近交20代以后形成的亚系，以阿拉伯数字表示。如DBA/1、DBA/2等。在近交系形成以前分离的亚系通常以小写英文字母表示，如BALB/c。

下面列出的是常见的亚系单位或个人的英文缩写：

An美国国立肿瘤研究所H．B．Andewont博士

BirBirmingham大学肿瘤研究所

cd比利时Libre大学Albbert Claude博士

Crgl美国加州伯克莱大学肿瘤研究所遗传实验室

CRJ查尔斯日本子公司（Charles River Japan lnc)

Fo美国密执根州底特律大学生物系P．Forsthoefel博士

Gr英国伦敦大学动物系H．Grunebery博士

Gro荷兰Groningen大学遗传研究所

H英国医学研究协会放射医学部门所在地Harwell

Han德国Hannover Linden大学Versuchstierzueht中心研究所

He美国国立肿瘤研究所w．E．Heston博士

ICR美国国立肿瘤研究所（Institute for Cancer Research)

ICRC印度肿瘤研究中心（India Cancer Research Centre)

J或Jax美国杰克逊实验室（Jackson Memorial Laboratory)

JCL日本柯力亚（clea）公司（株式会社）

JCR日本国立肿瘤研究所（Japan National Institute for Cancer Research)

Jci日本实验动物中央研究所（Japan Central Institute of Experimental Animals)

JMC日本东京大学医学研究所 田坞嘉雄

Ka美国加州斯坦福大学医学院放射原系H．S．Kaplan博士

Ki美国俄亥俄州大学医学院Kirschbaum研究室

Lac英国医学研究委员会(Medical Research Committee，MRC）实验动物中心（Laboratory AnimaI Centre，Lac)

Mel英国苏格兰爱丁堡动物遗传研究所A．Melaren博士

M．K 日本北海道大学理学部 牧野佐二郎

MS日本国立遗传研究所 吉田俊秀

Ola英国牛津实验动物场

Pi美国犹他大学医学院H．I．Pilgrim博士

Rap前苏联莫斯科医学院近交系实验动物实验室

Rd或Rol法国巴黎G．Rudali博士

Re美国杰克逊实验室Elizabeth S．Russoll博士

sc美国Tufts大学心理系J．P．Scott博士

Se意大利Lucio Severt教授

sn美国杰克逊实验室Snell博士

Umc美国明尼苏达大学医学院生理系

Y前苏联Yurlov邮政实验动物研究所遗传室

其他常用英文缩写符号：

ICLAS国际实验动物科学委员会（International Committee of Laboratorv Animal Science)

WHO世界卫生组织（World Health Organization)

N1H或N 美国国立卫生研究院 (National Institute of Health)

COBS以无菌手段剖腹取出后饲养在屏障环境的动物（ceasarear originated barrier sustaied) 支系的命名是在原品系后附加小写英文字母，表明处理方式。代乳后的品系，在代码后加“f”（即fosert nursing），再写上代乳品系名称；如C3HfC57BL，表示C3H品系由C57BL近交系代乳。受精卵（egg，e）或卵巢（ovary，o）移植后培育的品系，在品系全称后加“e”或“o”，再写上接受受精卵或卵巢移植术的品系名称；

如AeB6，代表A系的受精卵输送到C57BL/6J母鼠子宫后孕育的品系。移植胚胎经冷冻保存的品系，在品系名称后加“P”（freeze preservation，p），再加“e”，并写上接受胚胎移植术的品系名称；如C57BL/6peCBA/H，表示C57BL/6的胚胎经冷冻保存后，移植到CBA/H母鼠子宫内孕育。近交系、亚系和支系综合命名法实例：

⒈DBA/1 fLACA/Lac

DBA为小鼠近交系名称，1表示亚系，f表示代乳，LACA为代乳母鼠的品系，Lac代表培育单位为英国医学研究委员会实验动物中心。

⒉C57BL/6J

C代表 nonalbino allele，57为第57号雌鼠，BL即BIack（黑色），6为亚系，J代表Jackson（杰克逊）实验室。

编译 | 未玖

Nature , 14 April 2022, VOL 604, ISSUE 7905

《自然》 2022年4月14日，第604卷，7905期

天文学 Astronomy

A dusty compact object bridging galaxies and quasars at cosmic dawn

在宇宙黎明时分，星系由尘埃致密体过渡到类星体

作者：S. Fujimoto, G. B. Brammer, D. Watson, G. E. Magdis, V. Kokorev, T. R. Greve, et al.

链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04454-1

摘要：

自从发现发光类星体在宇宙大爆炸后仅存在7亿年以来，了解超大质量黑洞在早期宇宙中如何形成和生长已成为一个重大难题。

理论模拟显示了一种进化序列，尘埃红移的类星体从严重尘埃遮蔽的星暴星系中出现，然后通过释放气体和尘埃过渡到无遮蔽的发光类星体。尽管最后一个阶段的红移已被确定为7.6，但由于它们在光学和近红外波长上的微弱性，目前尚未发现具有类似红移的过渡类星体。

研究组报道了一个紫外致密天体GNz7q的观测结果，它与一个红移为7.1899   0.0005、尘埃掩蔽的星暴有关。

在该时期，宿主星系的尘埃辐射比任何其他已知物体都要明亮，在480秒差距的中心半径范围内，每年形成1600个太阳质量的恒星。在深部、高分辨率成像和无狭缝光谱中，可识别出一个远紫外的红点源。

GNz7q在X射线中非常微弱，这表明在尘埃星暴核心出现了一个独特的紫外致密恒星形成区或一个康普顿厚、超过爱丁顿极限的黑洞吸积盘。在后一种情况下，观测到的性质与宇宙学模拟的预测一致，并表明GNz7q是晚期无遮蔽发光类星体的祖先。

Abstract：

Understanding how super-massive black holes form and grow in the early Universe has become a major challenge since it was discovered that luminous quasars existed only 700 million years after the Big Bang. Simulations indicate an evolutionary sequence of dust-reddened quasars emerging from heavily dust-obscured starbursts that then transition to unobscured luminous quasars by expelling gas and dust. Although the last phase has been identified out to a redshift of 7.6, a transitioning quasar has not been found at similar redshifts owing to their faintness at optical and near-infrared wavelengths. Here we report observations of an ultraviolet compact object, GNz7q, associated with a dust-enshrouded starburst at a redshift of 7.1899   0.0005. The host galaxy is more luminous in dust emission than any other known object at this epoch, forming 1,600 solar masses of stars per year within a central radius of 480 parsec. A red point source in the far-ultraviolet is identified in deep, high-resolution imaging and slitless spectroscopy. GNz7q is extremely faint in X-rays, which indicates the emergence of a uniquely ultraviolet compact star-forming region or a Compton-thick super-Eddington black-hole accretion disk at the dusty starburst core. In the latter case, the observed properties are consistent with predictions from cosmological simulations and suggest that GNz7q is an antecedent to unobscured luminous quasars at later epochs.

物理学 Physics

Intelligent infrared sensing enabled by tunable moiré quantum geometry

可调谐莫尔量子几何实现智能红外传感

作者：Chao Ma, Shaofan Yuan, Patrick Cheung, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Fan Zhang, et al.

链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04548-w

摘要：

众所周知，固体中布洛赫波函数的量子几何性质，即贝里曲率和量子度量，显著影响着电子的基态和激发态行为。

体光伏效应（BPVE）是一种依赖于激发光偏振的非线性现象，在很大程度上取决于光学跃迁中的量子几何特性。红外BPVE尚未在石墨烯或莫尔体系等新兴平台中观察到，尽管这些平台已报道过与量子几何有关的激发强关联现象。

研究组报道了在扭曲双双层石墨烯（TDBG）中观察到5 µm和7.7 µm处可调谐中红外BPVE，由莫尔诱导的强对称性破缺和量子几何贡献产生。光响应在很大程度上取决于激发光的偏振态，且可通过外部电场进行高度调谐。

这种量子几何特性的广泛可调性使研究组能够使用卷积神经网络同时实现全斯托克斯偏振测量和波长检测，仅使用一个亚波长足迹仅为3  3  µm2的TDBG器件 。

该研究工作不仅揭示了莫尔工程量子几何在可调谐非线性光-物质相互作用中的独特作用，还以极其紧凑的芯片方式为未来智能传感技术开辟了新途径。

Abstract：

Quantum geometric properties of Bloch wave functions in solids, that is, Berry curvature and the quantum metric, are known to significantly influence the ground- and excited-state behaviour of electrons. The bulk photovoltaic effect (BPVE), a nonlinear phenomenon depending on the polarization of excitation light, is largely governed by the quantum geometric properties in optical transitions. Infrared BPVE has yet to be observed in graphene or moiré systems, although exciting strongly correlated phenomena related to quantum geometry have been reported in this emergent platform. Here we report the observation of tunable mid-infrared BPVE at 5 µm and 7.7 µm in twisted double bilayer graphene (TDBG), arising from the moiré-induced strong symmetry breaking and quantum geometric contribution. The photoresponse depends substantially on the polarization state of the excitation light and is highly tunable by external electric fields. This wide tunability in quantum geometric properties enables us to use a convolutional neural network to achieve full-Stokes polarimetry together with wavelength detection simultaneously, using only one single TDBG device with a subwavelength footprint of merely 3   3 µm2. Our work not only reveals the unique role of moiré engineered quantum geometry in tunable nonlinear light–matter interactions but also identifies a pathway for future intelligent sensing technologies in an extremely compact, on-chip manner.

材料科学 Materials Science

Uniting tensile ductility with ultrahigh strength via composition undulation

通过成分起伏同时实现拉伸塑性与超高强度

作者：Heng Li, Hongxiang Zong, Suzhi Li, Shenbao Jin, Yan Chen, Matthew J. Cabral, et al.

链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04459-w

摘要：

具有纳米晶粒的金属有接近2 GPa的超高强度。然而，这种极端的晶界强化导致几乎所有拉伸塑性的丧失，即使当金属具有面心立方结构（所有晶体结构中塑性最强的结构）时亦如此。

研究组证明了纳米晶镍-钴固溶体虽仍是面心立方单相，但其拉伸强度约为2.3  GPa，塑性断裂伸长率约为16 %。

这种不寻常的拉伸强度和塑性的结合是通过高浓度固溶体中的成分起伏实现的。这种起伏使得层错能和晶格应变在1-10纳米的尺度范围内发生空间变化，从而显著影响了位错运动。

尽管纳米晶粒内部空间非常有限，但位错运动变得缓慢，促进了它们的交互作用、联锁和增殖。因此，流动应力增加，同时位错储存增加，从而提升了应变硬化能力，提高了塑性。

同时，沿位错线的分段脱捕需要较小的激活体积，因此应变速率敏感性增加，这也稳定了拉伸流动。因此，抗位错传播的起伏结构提供了一种强化机制，可在高流动应力下保持拉伸塑性。

Abstract：

Metals with nanocrystalline grains have ultrahigh strengths approaching two gigapascals. However, such extreme grain-boundary strengthening results in the loss of almost all tensile ductility, even when the metal has a face-centred-cubic structure—the most ductile of all crystal structures. Here we demonstrate that nanocrystalline nickel–cobalt solid solutions, although still a face-centred-cubic single phase, show tensile strengths of about 2.3 gigapascals with a respectable ductility of about 16 per cent elongation to failure. This unusual combination of tensile strength and ductility is achieved by compositional undulation in a highly concentrated solid solution. The undulation renders the stacking fault energy and the lattice strains spatially varying over length scales in the range of one to ten nanometres, such that the motion of dislocations is thus significantly affected. The motion of dislocations becomes sluggish, promoting their interaction, interlocking and accumulation, despite the severely limited space inside the nanocrystalline grains. As a result, the flow stress is increased, and the dislocation storage is promoted at the same time, which increases the strain hardening and hence the ductility. Meanwhile, the segment detrapping along the dislocation line entails a small activation volume and hence an increased strain-rate sensitivity, which also stabilizes the tensile flow. As such, an undulating landscape resisting dislocation propagation provides a strengthening mechanism that preserves tensile ductility at high flow stresses.

Perovskite–organic tandem solar cells with indium oxide interconnect

钙钛矿-氧化铟互连有机串联太阳能电池

作者：K. O. Brinkmann, T. Becker, F. Zimmermann, C. Kreusel, T. Gahlmann, M. Theisen, et al.

链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04455-0

摘要：

多结太阳能电池可以克服单结器件的基本效率限制。金属卤化物钙钛矿型太阳能电池的带隙可调性使其在多结结构中具有吸引力。硅和铜铟硒化镓（CIGS）以及全钙钛矿串联电池的组合已有报道。与此同时，窄间隙非富勒烯受体为有机太阳能电池带来了快速提升的效率。

有机和钙钛矿半导体是一种很有吸引力的组合，具有相似的加工技术。目前，钙钛矿-有机串联电池的效率低于标准，并且受到宽间隙钙钛矿电池的低开路电压（Voc）和子电池之间互连引入损耗的限制。

研究组展示了钙钛矿-有机串联电池的效率为24.0%（认证为23.1%），Voc高达2.15 伏特。优化的电荷提取层使钙钛矿子电池具有高Voc和填充因子的出色组合。

该串联电池的有机子电池在近红外下提供了高外部量子效率，与对非富勒烯电池有限光稳定性的典型担忧相反，如果激子主要在非富勒烯受体上产生，则表现出出色的 *** 作稳定性。子电池由一层超薄（约1.5纳米）类金属氧化铟层连接，具有前所未有的低光/电损耗。

这项工作为钙钛矿-有机串联电池竖了一座里程碑，它优于最好的p–i–n钙钛矿单结，并与钙钛矿-CIGS和所有钙钛矿多结相媲美。

Abstract：

Multijunction solar cells can overcome the fundamental efficiency limits of single-junction devices. The bandgap tunability of metal halide perovskite solar cells renders them attractive for multijunction architectures. Combinations with silicon and copper indium gallium selenide (CIGS), as well as all-perovskite tandem cells, have been reported. Meanwhile, narrow-gap non-fullerene acceptors have unlocked skyrocketing efficiencies for organic solar cells. Organic and perovskite semiconductors are an attractive combination, sharing similar processing technologies. Currently, perovskite–organic tandems show subpar efficiencies and are limited by the low open-circuit voltage (Voc) of wide-gap perovskite cells and losses introduced by the interconnect between the subcells. Here we demonstrate perovskite–organic tandem cells with an efficiency of 24.0 per cent (certified 23.1 per cent) and a high Voc of 2.15 volts. Optimized charge extraction layers afford perovskite subcells with an outstanding combination of high Voc and fill factor. The organic subcells provide a high external quantum efficiency in the near-infrared and, in contrast to paradigmatic concerns about limited photostability of non-fullerene cells, show an outstanding operational stability if excitons are predominantly generated on the non-fullerene acceptor, which is the case in our tandems. The subcells are connected by an ultrathin (approximately 1.5 nanometres) metal-like indium oxide layer with unprecedented low optical/electrical losses. This work sets a milestone for perovskite–organic tandems, which outperform the best p–i–n perovskite single junctions and are on a par with perovskite–CIGS and all-perovskite multijunctions.

机械工程 Mechanical Engineering

Thermophotovoltaic efficiency of 40%

科学家实现40%的热光伏效率

作者：Alina LaPotin, Kevin L. Schulte, Myles A. Steiner, Kyle Buznitsky, Colin C. Kelsall, Daniel J. Friedman, et al.

链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04473-y

摘要：

热光伏（TPV）主要通过光伏效应将红外波长的光转换为电能，可使用比目前普遍存在于电力生产中的涡轮机更高温度的热源进行能量存储和转换。

自从在2000 下使用集成背表面反射器和钨发射极首次展示29%的高效TPV以来，TPV的制造和性能得到了改善。然而，尽管预测TPV的效率可能超过50%，但在温度低于1300 下，实际效率仍仅为32%。

研究组报道了效率超过40%的TPV电池的制造和测量，并通过实验证明了高带隙串联TPV电池的效率。TPV电池是由带隙在1.0-1.4 eV的III–V材料组成的双结器件，针对1900-2400 的发射极温度进行了优化。

电池利用带边光谱滤波的概念来获得高效率，使用高反射背表面反射器来拒绝不可用的子带隙辐射返回发射极。在功率密度为2.39 W cm –2 ，发射极温度为2400 的条件下，1.4/1.2 eV器件的最大效率为（41.1   1）%。在功率密度为1.8 W cm–2，发射极温度为2127 的条件下，1.2/1.0 eV器件的最大效率为（39.3   1）%。

这些电池可以集成到一个TPV系统中，用于热能电网存储，以实现可调度的可再生能源。这为热能电网存储创造了一条途径，以达到足够高的效率和足够低的成本，从而实现电网脱碳。

Abstract：

Thermophotovoltaics (TPVs) convert predominantly infrared wavelength light to electricity via the photovoltaic effect, and can enable approaches to energy storage and conversion that use higher temperature heat sources than the turbines that are ubiquitous in electricity production today. Since the first demonstration of 29% efficient TPVs using an integrated back surface reflector and a tungsten emitter at 2,000  C, TPV fabrication and performance have improved. However, despite predictions that TPV efficiencies can exceed 50%, the demonstrated efficiencies are still only as high as 32%, albeit at much lower temperatures below 1,300  C. Here we report the fabrication and measurement of TPV cells with efficiencies of more than 40% and experimentally demonstrate the efficiency of high-bandgap tandem TPV cells. The TPV cells are two-junction devices comprising III–V materials with bandgaps between 1.0 and 1.4 eV that are optimized for emitter temperatures of 1,900–2,400  C. The cells exploit the concept of band-edge spectral filtering to obtain high efficiency, using highly reflective back surface reflectors to reject unusable sub-bandgap radiation back to the emitter. A 1.4/1.2 eV device reached a maximum efficiency of (41.1   1)% operating at a power density of 2.39 W cm–2 and an emitter temperature of 2,400  C. A 1.2/1.0 eV device reached a maximum efficiency of (39.3   1)% operating at a power density of 1.8 W cm –2 and an emitter temperature of 2,127  C. These cells can be integrated into a TPV system for thermal energy grid storage to enable dispatchable renewable energy. This creates a pathway for thermal energy grid storage to reach sufficiently high efficiency and sufficiently low cost to enable decarbonization of the electricity grid.

地球科学 Earth Science

Realization of Paris Agreement pledges may limit warming just below 2 

实现《巴黎协定》的承诺有望将全球变暖控制在2 以下

作者：Malte Meinshausen, Jared Lewis, Christophe McGlade, Johannes Gütschow, Zebedee Nicholls, Rebecca Burdon, et al.

链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04553-z

摘要：

在《格拉斯哥气候公约》签署前的过去五年中，154个缔约方在其国家自主贡献中提交了新的或更新的2030年减缓目标，76个缔约方提出了长期承诺。对2021联合国气候变化大会（COP26）之前承诺的量化表明，将升温控制在2 以下的可能性低于50 %。

研究组证明，如果所有有条件和无条件的承诺都得到充分和及时的执行，全球变暖可以控制在2  以下。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告中第一工作组对地球系统不确定性进行的概率表征，在全面执行的情况下，峰值升温可被限制在1.9-2.0  之间。

研究组回顾性地预测了21世纪的气候变暖，以显示2015-2021年雄心勃勃的总体目标水平如何变化。研究结果依赖于对2030年或2050年之后的限时目标外推、IPCC 1.5 特别报告（SR1.5）情景数据库的特征和承诺的全面实施情况。

对这些因素更悲观的假设将导致更高的升温预测。另一个独立的排放模型框架预测，全球升温峰值为1.8 ，这支持了该研究发现，即各国兑现承诺可能会将全球变暖限制在略低于2 的范围内。

若不仅要将升温控制在“略低于”，还要控制在“远低于”2  或1.5 ，则迫切需要制定政策和采取行动，以在本世纪中叶实现全球C O2 净零排放。

Abstract：

Over the last five years prior to the Glasgow Climate Pact, 154 Parties have submitted new or updated 2030 mitigation goals in their nationally determined contributions and 76 have put forward longer-term pledges. Quantifications of the pledges before the 2021 United Nations Climate Change Conference (COP26) suggested a less than 50 per cent chance of keeping warming below 2 degrees Celsius. Here we show that warming can be kept just below 2 degrees Celsius if all conditional and unconditional pledges are implemented in full and on time. Peak warming could be limited to 1.9–2.0 degrees Celsius in the full implementation case—building on a probabilistic characterization of Earth system uncertainties in line with the Working Group I contribution to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). We retrospectively project twenty-first-century warming to show how the aggregate level of ambition changed from 2015 to 2021. Our results rely on the extrapolation of time-limited targets beyond 2030 or 2050, characteristics of the IPCC 1.5  C Special Report (SR1.5) scenario database and the full implementation of pledges. More pessimistic assumptions on these factors would lead to higher temperature projections. A second, independent emissions modelling framework projected peak warming of 1.8 degrees Celsius, supporting the finding that realized pledges could limit warming to just below 2 degrees Celsius. Limiting warming not only to ‘just below’ but to ‘well below’ 2 degrees Celsius or 1.5 degrees Celsius urgently requires policies and actions to bring about steep emission reductions this decade, aligned with mid-century global net-zero C O2 emissions

---