基于钙钛矿太阳能电池的一体化“光电容器”

太阳能凭借其可再生性、丰富性、无污染等优点，在替代传统能源的进程中扮演着长盛不衰的重要角色。然而，太阳能的非持续性和不稳定性的特点，使得太阳能发电系统常需要有配套的储能装置将电能存储起来，从而保证发电、供电的连续性、稳定性和可控性。传统的光伏电站常由相对独立的大容量储能装置与之配套，子系统之间的连接常会引入更多的无谓损耗，从而降低了太阳能利用效率和系统可靠性。对于便携式的电子产品，分离式的设计不仅降低了整体的性能，还增加了系统的重量和占用的空间。因此，如何进一步提高太阳能利用效率、降低光电转换和电能存储过程的成本，是一个值得探究的问题。自2004年以来，研究人员提出了基于染料敏化太阳能电池及其它光伏薄膜电池的一体化光电转换-能量存储集成器件，实现了电荷产生、传输和存储步骤的简化。然而，受限于所选光伏电池的光电转换效率、储能材料和机制的引入，器件的整体性能还未达到理想的水平。


最近，新加坡南洋理工大学的范红金教授团队和武汉理工大学库治良合作，从光伏电池、储能器件和电荷传输系统的合理设计等三方面着手，提出基于P型聚噻吩改造的可印刷式钙钛矿太阳能电池的一体化光电容集成器件。近年来，基于有机无机复合钙钛矿（MAPbX3,MA=CH3NH3,X=Cl,Br,I）的太阳能电池的能量转换效率经短短6年的发展飞速提升至21.0%（经认证），成为光伏电池领域的战斗机。为了优化电池结构和降低电池成本，日前，该团队成功研制了基于介孔金属镍对电极的单基板钙钛矿太阳能电池，以替代传统镀金工艺，其光电转换效率可达13.6%。在此研究基础上，该团队利用可印刷单基板结构和对电极的多选性，将P型聚噻吩复合的介孔碳作为钙钛矿太阳能电池的对电极，实现了光伏电池正电荷收集和存储的双功能作用。搭配对称介孔碳-聚噻吩电极收集负电荷，形成储能体系。然而，储能器件的可充放性仍需电解质的循环迁移。因此，电解液对钙钛矿稳定性的影响成为至关重要的问题。研究人员通过不断尝试，研制出富含高氯酸根离子的低极性有机电解液，在不影响钙钛矿稳定性的前提下，实现了聚噻吩与高氯酸根氧化还原的赝电容效应。在此光电容集成体系中，正电荷的产生和存储为同步过程，无额外传输路径的引入。因此，在光电转换效率为6%的状态下光电容的最大能量存储效率可达73.77%，优于现今报道的其它光电容和光电池集成器件。随着今后工艺改进对光电转换效率的提高，其最大光电转换-能量存储总效率也有巨大提升空间，将远超于此系统目前达到的4.70%。该项研究工作证实了这种光电转换-能量存储一体化集成概念的可行性和优越性，有望为未来便携设备提供动力。相关工作已在线发表于 Advanced Materials Technologies上。