基于鈣鈦礦太陽能電池的一體化“光電容器”

太陽能憑借其可再生性、豐富性、無污染等優(yōu)點(diǎn)，在替代傳統(tǒng)能源的進(jìn)程中扮演著長盛不衰的重要角色。然而，太陽能的非持續(xù)性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，使得太陽能發(fā)電系統(tǒng)常需要有配套的儲能裝置將電能存儲起來，從而保證發(fā)電、供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可控性。傳統(tǒng)的光伏電站常由相對獨(dú)立的大容量儲能裝置與之配套，子系統(tǒng)之間的連接常會引入更多的無謂損耗，從而降低了太陽能利用效率和系統(tǒng)可靠性。對于便攜式的電子產(chǎn)品，分離式的設(shè)計(jì)不僅降低了整體的性能，還增加了系統(tǒng)的重量和占用的空間。因此，如何進(jìn)一步提高太陽能利用效率、降低光電轉(zhuǎn)換和電能存儲過程的成本，是一個(gè)值得探究的問題。自2004年以來，研究人員提出了基于染料敏化太陽能電池及其它光伏薄膜電池的一體化光電轉(zhuǎn)換-能量存儲集成器件，實(shí)現(xiàn)了電荷產(chǎn)生、傳輸和存儲步驟的簡化。然而，受限于所選光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率、儲能材料和機(jī)制的引入，器件的整體性能還未達(dá)到理想的水平。

　　最近，新加坡南洋理工大學(xué)的范紅金教授團(tuán)隊(duì)和武漢理工大學(xué)庫治良合作，從光伏電池、儲能器件和電荷傳輸系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)等三方面著手，提出基于P型聚噻吩改造的可印刷式鈣鈦礦太陽能電池的一體化光電容集成器件。近年來，基于有機(jī)無機(jī)復(fù)合鈣鈦礦（MAPbX3,MA=CH3NH3,X=Cl,Br,I）的太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率經(jīng)短短6年的發(fā)展飛速提升至21.0%（經(jīng)認(rèn)證），成為光伏電池領(lǐng)域的戰(zhàn)斗機(jī)。為了優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)和降低電池成本，日前，該團(tuán)隊(duì)成功研制了基于介孔金屬鎳對電極的單基板鈣鈦礦太陽能電池，以替代傳統(tǒng)鍍金工藝，其光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)13.6%。在此研究基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)利用可印刷單基板結(jié)構(gòu)和對電極的多選性，將P型聚噻吩復(fù)合的介孔碳作為鈣鈦礦太陽能電池的對電極，實(shí)現(xiàn)了光伏電池正電荷收集和存儲的雙功能作用。搭配對稱介孔碳-聚噻吩電極收集負(fù)電荷，形成儲能體系。然而，儲能器件的可充放性仍需電解質(zhì)的循環(huán)遷移。因此，電解液對鈣鈦礦穩(wěn)定性的影響成為至關(guān)重要的問題。研究人員通過不斷嘗試，研制出富含高氯酸根離子的低極性有機(jī)電解液，在不影響鈣鈦礦穩(wěn)定性的前提下，實(shí)現(xiàn)了聚噻吩與高氯酸根氧化還原的贗電容效應(yīng)。在此光電容集成體系中，正電荷的產(chǎn)生和存儲為同步過程，無額外傳輸路徑的引入。因此，在光電轉(zhuǎn)換效率為6%的狀態(tài)下光電容的最大能量存儲效率可達(dá)73.77%，優(yōu)于現(xiàn)今報(bào)道的其它光電容和光電池集成器件。隨著今后工藝改進(jìn)對光電轉(zhuǎn)換效率的提高，其最大光電轉(zhuǎn)換-能量存儲總效率也有巨大提升空間，將遠(yuǎn)超于此系統(tǒng)目前達(dá)到的4.70%。該項(xiàng)研究工作證實(shí)了這種光電轉(zhuǎn)換-能量存儲一體化集成概念的可行性和優(yōu)越性，有望為未來便攜設(shè)備提供動(dòng)力。相關(guān)工作已在線發(fā)表于 Advanced Materials Technologies上。