卡尔斯鲁厄理工学院

本文参加百家号《科学了不起》系列征文赛。

卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员开发出一种基于喷墨打印的新制造技术，该技术可以实现钙钛矿太阳能电池的快速，高效和可扩展生产。

钙钛矿半导体是一种非常有前途的太阳能电池材料，因为它吸收光并将其转化为能量的效率更高，并且生产成本可能比目前使用的硅更低。然而，需要更多的工作来实现钙钛矿太阳能电池的实际工业规模制造。

来自卡尔斯鲁厄技术学院的Ulrich W.Paetzold博士的研究组的博士生Helge Eggers将在光学学会（OSA）2020先进光子学大会上展示这种新的喷墨打印方法。

喷墨打印是一种可扩展且材料高效的沉积方法，用于基于溶液的材料，可轻松调整打印图案。

“为钙钛矿型太阳能电池的制造开发良好的喷墨印刷工艺不仅可以实现低成本的批量生产，而且还可以基于数字图像文件轻松修改印刷设计，从而为个性化定制太阳能电池打开了市场，” Eggers说。

研究小组表明，这项新技术可以生产出将光能转换为电能的太阳能电池，其效率接近于规模较小的制造方法所能达到的效率。因为它们的方法可用于印刷任意图案，所以将太阳能电池印在用于将天窗和建筑物外墙变成动力源的材料上也很有用。

研究人员开始使用他们的新方法来制造具有喷墨打印钙钛矿吸收层的太阳能电池。他们的主要成就是开发了基于真空干燥的优化墨水和制造工艺。该方法允许具有微米级大的柱状晶粒的钙钛矿材料的优选结晶图案。太阳能电池的功率转换效率超过20％，作者说这是部分喷墨印刷钙钛矿太阳能电池报道的最高转换效率。这一结果有助于弥补现有技术中效率最高的25％的旋涂钙钛矿型太阳能电池的性能差距。

然后，他们又进一步开发了具有喷墨打印吸收层和提取层的钙钛矿太阳能电池。这些太阳能电池的功率转换效率超过17％。他们还表明，他们的优化墨水配方可以通过打印一些作者的详细肖像来创建毫米级的结构。

尽管这些结果是迈向可伸缩钙钛矿太阳能电池发展的重要一步，但仍需要克服关键挑战。卡尔斯鲁厄理工学院钙钛矿特别工作组负责人乌尔里希·W·佩佐德说：“目前，我们仍在实验室规模上加工太阳能电池。将喷墨打印的钙钛矿光伏技术扩大到大面积是一项持续的工作。为此，我们与该领域的工业合作伙伴进行了合作。”

该小组正在研究喷墨印刷电极。此外，该小组仍在优化已开发的喷墨印刷工艺的质量和可重复性，因为即使印刷薄膜的均质性发生很小的变化也会对太阳能电池的性能产生巨大影响。

我们许多人都知道，激光的理论基础起源于爱因斯坦，1916年他首先描述了原子的受激辐射与自发辐射的关系，提出了一套全新的技术理论‘光与物质相互作用’，指出在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象，即“受激辐射的光放大”，简称激光。

激光谱线宽，英语：laser spectral linewidth，指一个激光束的谱线宽。激光发射的两个最独特的特征是空间相干性和光谱相干性。虽然空间相干性与激光器的光束发散有关，但光谱相干性是通过测量激光辐射的线宽来评估的。

谱线，英语：spectral line，指在均匀且连续的光谱上明亮或黑暗的线条，起因于光子在一个狭窄的频率范围内比附近的其他频率超过或缺乏。

谱线通常被认为是量子系统，即通常是原子、但有时会是分子或原子核，和单一光子相互作用产生的。当光子的能量确实与系统内能级上的一个变化符合时（在原子的情况，通常是电子改变轨道），光子被吸收。然后，它将再自发地发射，可能是与原来相同的频率或是阶段式的，但光子发射的总能量将会与当初吸收的能量相同，而新光子的方向不会与原来的光子方向有任何关联。

英国萨里大学萨里大学电气与电子工程系先进技术研究所，和德国卡尔斯鲁厄理工学院控制系统研究所的研究人员合作，在最近的《量子电子学》杂志上发表的一项全面而详细的研究中，对围绕激光原理和激光光谱的60多年的正统观念提出质疑，即光谱线宽是控制和测量光波长的基础。

这一最新开创性研究可能会改变科学家理解和描述激光的方式，从而在经典物理学和量子物理学之间建立新的桥梁关系。

在这项新研究中，研究人员发现，激光的基本原理，即光的放大可以补偿激光的损耗，只是一个近似。该研究团队量化并解释说，微小的过量损耗，即由放大的光而不是激光器内部的正常发光来平衡，为激光器的光谱线宽提供了答案。这些损耗机制之一是激光的光耦合，广泛应用于如汽车制造、电信、激光手术、全球定位系统GPS等的激光束。

光谱相干程度表征了光的光谱纯度。它可以在时域中等效地由衰减时间、或发光振荡器的品质因数、相干时间、或长度表示发射光的线宽Δν，或者通过对频域通过傅里叶变换。该论文研究了其谱线形状、模式轮廓和分布，并验证了所有模式轮廓的总和是否生成了相应的分布。

该研究的发现对量子光学图像提出了质疑，量子光学图像首先提出，受激发射是同相发生的，而自发发射是相对于入射场以任意相位角发生的；其次，激光线宽是由振幅和相位引起的自发发射引起的波动。研究指出，激光线宽的一阶推导完全是半经典的，包括四个近似值：（i）它是真正的连续波激光器；（ii）它是理想的四能级激光器，（iii）它的谐振器没有固有损耗，iv）每个光子在谐振器的每个光子衰减时间内都自发地耦合到激射模式，与泵浦速率无关。

论文在讨论现有的激光线宽半经典描述和量子光学描述的不一致之处之后，介绍了光谱相干因子，该光谱相干因子量化了有源与其下层无源模式下的光谱相干，并基于增益的原理是延长光子衰变时间并缩小线宽，即单激光模式的基本线宽。该线宽对于具有任意能级系统，在阈值以下、处于或之上以及在瞬态激光状态下运行的激光器有效，其增益与损耗相比更小、相等或更大。论文验证了在基于量子光学方法的激光线宽上，基于密度算子主方程，增益小于损耗。

这就提出了两个重要的问题，显然需要回答这些问题才能在激光模式下建立光谱相干的完整图像。首先，存在量子波动，那么它们如何精确地影响基本激光线宽？人们可能会推测它们导致基本激光线宽的扩大。其次，在接近阈值的情况下，由量子力学得出的激光线宽减小的物理解释是什么？该论文获得了第二个问题的半经典答案，并在论文的第二部分进行了讨论。有趣的是，它与第一个问题没有联系，第一个问题的答案似乎涉及更多。

萨里大学光学教授马库斯·波尔瑙（Markus Pollnau）解释说：“自1960年发明激光以来，激光光谱线宽已被全世界教科书和大学教学中描述为激光的自然产物，因为其量子物理解释甚至对于学校讲师来讲也提出了非凡的挑战。”

波尔瑙教授表示：“正如我们在这项研究中所解释的那样，有一个简单易懂的激光光谱线宽推导，而基础的经典物理学证明：量子物理学试图解释激光光谱线宽的尝试是毫无希望的。这一研究结果将对量子物理学的影响具有根本的意义。”

参考：Spectral coherence, Part I: Passive-resonator linewidth, fundamental laser linewidth, and Schawlow-Townes approximation, Progress in Quantum Electronics (2020). DOI: 10.1016/j.pquantelec.2020.100255

科技改变生活，

Wi-Fi墙纸、发光墙纸、发热墙纸、报警墙纸，

智能科技的引入，

打破传统墙纸概念，

创造墙纸新未来！

墙纸人，你准备好了吗？

Wi-Fi墙纸——将Wi-Fi信号强度提高近10倍

据外媒报道，美国科学家发明了一种“智能墙纸”，它可以将Wi-Fi信号强度提高近10倍，让容量翻一番。根据麻省理工学院博士生文卡特-阿伦(Venkat Arun)和教授哈里-巴尔克里希南(Hari Balkrishnan)的研究论文，这种智能墙纸解决了室内环境中Wi-Fi信号可能被墙壁阻挡的问题。“它可以制作成一张薄薄的柔性薄片，可以作为(彩绘的)墙纸粘贴在墙上。”该研究论文说。而且，它不需要布线。

发光墙纸——透明“薄膜”一通电就亮了

发光壁纸，一种新型装饰壁纸，能发出不刺眼的光，优于传统灯泡。其核心技术是使用了一种“OLED有机发光二极管”。发光壁纸由英国罗摩克斯公司研制，以取代电灯为房间提供照明。这种照明方式不仅耗能更少，而且效果更佳。虽然壁纸需要通电才能发光，但是人们大可不必担心触电问题。发光壁纸电压只有3-5伏，用电池或太阳能供电，其亮度高低可以通过开关调节，照明效率比目前市面的技能等高2-3倍。

发热墙纸——安全阻燃、高效节能、耐热防潮

石墨烯发热墙纸，是把取暖器做到只有0.5cm厚的墙纸中。它的工作原理是首先利用化学气相沉积法制备石墨烯薄膜，然后利用滚压或者加压的方法实现石墨烯膜到PVC、PET等材料的转移，最后加上电极制备成石墨烯加热膜。主要是通过石墨烯薄膜形成的均匀的电阻层，在220V电压的加热下，实现薄膜的加热，石墨烯膜主要通过释放远红外线，实现对空间的加热。石墨烯发热墙纸主要有三层材料组合而成，其分别是：保温层、发热膜、墙纸，同时外置智能温控设备，可实现APP远程遥控。

报警墙纸——中国发明遇火2秒内自动报警

来自上海硅酸盐研究所的研究人员发明了一款耐高温不可燃的墙纸，而且遇到火灾时会自动报警。它的原理是采用一种石墨烯氧化物墨水作为里面的热敏传感器，滴在无机耐火纸上，再连接铜导线作为外部的电极。石墨烯氧化物在室温下是绝缘的，发生火灾的时候 它就会受热导电，然后，连接着传感器上的报警器就会开始报警了。传感器设置在墙纸背面，所以不会影响美观。

抗震墙纸——不仅仅装饰，还能抗震的特殊墙纸

EQ-TOP新型墙纸是由德国卡尔斯鲁厄理工学院研发的一种抗震墙纸。它可以加固墙体，提升400%的强度，达到防震的奇效。采用玻璃纤维和塑料为原料，编织成薄薄的墙纸。由于纤维沿四个方向排列，因此非常能抵抗地震的影响。同时，极强的抗撕裂性的玻璃纤维结构提供了稳定性，而聚丙烯塑料纤维则提供了必要的弹性以抵抗地震。目前，在意大利的许多学校中都使用了这种墙纸。据统计，在全球已经安装了超过300000平方米的EQ-TOP系统。而且，在许多历史建筑修复的时候也使用了这种墙纸。

无缝墙布——无缝拼接、环保无味、色泽稳定

无缝墙布是墙布的一种是根据室内墙面的高度设计，可以按室内墙面的周长整体黏贴的墙布，一般幅宽在2.7米到3.10米的墙布都称为无缝壁布。无缝墙布的优点包括无缝粘贴、立体感强、手感好、装饰效果呈现、防水、防油、防污、防尘、防静电抗墙裂，易打理等。

以上提到的大部分新型墙纸尚未进入量产阶段。与它们不同，无缝墙布已经广泛投入生产，并且获得了市场的良好反馈。艾是、雅琪诺、领绣等墙布品牌在墙布生产领域颇有建树，深受消费者喜爱。

艾是墙布——120度高温4小时杀菌清洗

艾是墙布采用基材为天然材质如：棉、麻、毛、真丝等的现代新型天然环保材料，无毒无味，完全避免了甲醛等对人体有害的物质，可以做到当天安装当天入住。艾是墙布采用先进的纳米色织技术，通过对原材料纱线染色清洗与面料120度高温4小时杀菌清洗等独一无二的多道清洗工艺，彻底解决与避免了染色布、印花布、墙布的生产过程中的多次污染。最后封入艾是特有的环保涂层（达到防水、防污功能）。所以比起墙纸的印刷与同类产品的染色印花墙布等，从成品就已与污染元素绝缘。

雅琪诺3N无缝墙布——非织造、无复合、免印染

3N无缝墙布是雅琪诺独创产品，「非织造」「无复合」「免印染」，具备更优异的环保性能，通过双侧防水浸轧工艺制造而成。精选120G超厚医用无纺纤维基底，以其内部微孔结构，实现松软透气透湿的功能性，防止墙布发霉。采用圆网印刷工艺，保障产品色彩的表现能力，并同时通过高精压纹工艺，呈现产品表面的蚕丝纹理，整体观感柔和，触感细腻。

领绣刺绣墙布——传承千年刺绣精华

LEADSHOW领绣刺绣墙布为浙江联翔家居装饰股份有限公司旗下品牌，源于中国2000余年传统刺绣。2011年，公司创始人卜晓华发明无缝刺绣墙布(专利号：ZL201210102522.3)，LEADSHOW领绣刺绣墙布诞生；它推崇隽美的家居生活方式，致力于传承千年刺绣精华、创造奢华家居生活的使命。公司现累计有100余项国家专利，其中有效发明专利4项、实用新型专利11项。领绣刺绣墙布品牌，是中国家装市场上的宠儿和高端家居消费群体的喜爱品牌。

上海墙纸展，聚焦全球墙纸领域创新科技，引领墙纸墙布行业趋势。墙纸墙布新产品、新发明、行业新话题、都将一并呈现，9月21-23日上海新国际博览中心，敬请期待！

KA-RaceIng是由卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology）80名学生组成的团队，他们参加了国际学生方程式赛车。KA-RaceIng是唯一参赛所有三个领域的团队，即燃烧组（combustion）、电动组（combustion）和无人驾驶组（driverless）。该项比赛既有加速和长距离赛车等“动态”元素，也设有工程设计、商业计划、成本报告等“静态”活动。除了关于轻量化设计、动力传动系统、悬架、电子设备和空气动力学等方面的经典挑战，无人驾驶赛车的主要焦点还在于传感器处理和规划算法。所有三辆车完全是自行设计、制造和测试的。

数据采集

轨道不受线路限制，但锥体彼此相距3至5米。在非常狭窄弯曲的轨道上以高达60公里每小时的速度行进时，LIDAR和图像传感器的融合对于估计轨道路线是非常必要的。除了对环境的感知之外，用于跟踪车辆状态和位置的内部传感器也非常重要。特别是有未知轨道的领域需要高精度的陀螺仪和加速计来创建地图，并在高速行驶时定位车辆。

Xsens在赛车中

Xsens MTi-G-710是我们赛车中最重要的测量设备之一，在其它设备间提供加速度和角速度。而这两者都用于估计车辆的位置。在跑了一圈数百米的距离后，陀螺仪偏差校正可以使最终的差距小于2米。将优质的原始数据与映射任务（SLAM）的概率方法相结合，我们能够顺利结束一圈并以更快的速度完成接下几圈。

加速度的测量还用于计算汽车的行为以及在赛车中必不可少的车轮载荷。知道每个车轮上的载荷后，我们就能够估计可以传递的最大扭转力。否则，车轮只会旋转却不能实际加速赛车。

Xsens MTi惯导产品一直被大家广泛应用于各类机器人、无人驾驶、无人机、农业/工程机械、测绘、通信设备、动作捕捉、汽车测试等众多领域。针对于客户的应用要求以及科技技术的不断发展，Xsens陆续推出新一代功能更全、性价比更高的产品。