Energy. Environ. Sci. 蔚山國立科技研究所：太陽能電池與鋰離子電池的結合—單片集成的便攜式電源

【引言】

隨著人類能源體系的優化升級，智能能源時代即將到來，它也促使了人類生活中各種電子設備、單元化的能量儲存系統和柔性設備的發展和廣泛使用。現代的能源系統既要有高性能的產能裝置如太陽能光伏電池、燃料電池及其他的可再生能源設備，又要有性能優秀的儲能裝置如鋰離子電池、超級電容器等。單獨從產能裝置和儲能裝置來看，兩者的發展都十分迅速，各自的性能也有十足的進步。但是這兩種設備在能源體系中的單獨應用遠遠不能解決能量/功率密度低、可移動設備對能源的依賴性這兩個問題，所以將產能設備和儲能設備結合起來成為了解決上述問題的一個思路。例如，光伏電池首先將光能轉化為電能，然后再儲存在電池中；這樣光伏電池系統就能在光照下不斷地驅動電子設備，從而解決電池體系的能量密度問題和可移動設備問題。在電動汽車領域，這樣的光伏電池系統能有效地解決汽車電池的充電問題。

【成果簡介】

近日，韓國蔚山國立科技研究所的李杉陽教授（通訊作者）在Energy & Environmental Sciences上發表了題為“Monolithically integrated, photo-rechargeable portable power?sources based on miniaturized Si solar cells and printed solid-state?lithium-ion batteries”的文章，文中介紹了一種新型的在小型晶體硅光伏電池（c-Si PVs）和打印固態鋰離子電池上單片集成的光伏便攜式電源系統，研究者通過串聯打印技術在小型晶體硅光伏電池的鋁電極上直接組裝了具有兩極結構的固體鋰離子電池，使得產能設備和儲能設備在結構、電氣上能無縫連接。這種單單元的光伏-鋰離子電池設備與傳統的使用單獨的光伏電池、鋰離子電池的設備相比，具有優異的電化學性能，能夠達到快速充電、低光照強度下使用、高溫條件下光伏充電、7.61%的光電子轉化存儲效率、長期循環性能和光照下以28C的大電流密度持續放電的性能。這項研究開啟了發展單單元、光伏可充電高性能便攜式電池的新路徑，且具有可升級前景，能夠達到未來電子設備的要求。

【圖文導讀】

圖1. 單片集成的硅基光伏-鋰離子電池設備及雙電極鋰離子電池的電化學性能

（a）具有單片串聯結構的SiPV-LIB的前部數碼照片，插圖顯示了SiPV-LIB的后部數碼照片

（b）硅基光伏-鋰離子電池在太陽光照下的內部結構及工作原理示意圖

（c）在c-SiPV模板上打印固態雙電極LIB過程的示意圖

（d）2層雙電極LIB 和 （e）雙電極LIB與c-Si PV模板之間的無縫界面 的橫截面SEM圖像

（f）1層（灰色曲線）和2層（藍色曲線）LIB的恒流充放電曲線

（g）以SiPV–LIB設備和裸露雙電極LIB作為時間函數的OCV曲線

（h）以SiPV–LIB設備中雙電極LIB作為循環次數函數的恒流充放電曲線，充放電電流密度均為1.0C

圖2. 高電壓致密c-Si PV模板的組裝過程

（a）在使用紫外可愈合聚合物及膠粘帶上組裝可自由移動的c-Si PV模板的示意圖

（b）致密c-Si PV模板的數碼照片（后部），顯示了串聯的25個太陽能電池

（c）圖b中紅色區域的光學顯微圖像顯示了通過熱沉積鋁薄膜形成的互聯太陽能電池

（d）以致密c-Si PV模板的電壓（黑色線）和功率（藍色線）作為微型電池數目的函數的曲線

圖3.?SiPV–LIB設備的光充電/恒流放電行為

（a）SiPV–LIB設備在光充電/恒流放電過程中的等效電路

（b）SiPV–LIB設備的光充電/恒流放電曲線。光充電過程為45s的時間從3.0V充至5.4V，光照強度為100mW/cm²（1個太陽光強度）；恒流放電過程為以1.0C（=0.5mA/cm²）的電流密度放電至3V

（c）SiPV–LIB設備在光照強度為100mW/cm²（1個太陽光強度）和放電電流密度為1.0C（=0.5mA/cm²）下的光伏充電/恒流放電的循環性能（容量保持性由黑色線和空心圓表示，光電轉換/存儲效率由藍色線和實心圓表示），插圖顯示了反復循環過程中的光伏充電/恒流放電曲線

（d）以SiPV–LIB設備的光伏充電容量（黑線及空心圓）和光電轉換/存儲效率（藍色實線及實心圓）作為光伏充電時間的函數的曲線

（e）SiPV–LIB設備與其他具有小型單單元結構的PV電池系統（有機太陽能電池OPV，超級電容器，DSSC-LIBs和DSSC-超級電容器）的光電轉換/存儲效率的對比

（f）數碼照片顯示了嵌入智能卡片的SiPV–LIB的工作過程，插圖顯示了所得到的智能卡片的整體厚度

（g）SiPV–LIB設備的恒流放電倍率容量（在100mW/cm²的光照強度下光伏充電120s之后），電流密度范圍從0.5C至5.0C

（h）以SiPV–LIB設備在固定的1C放電倍率下作為光照強度（8，40和100mW/cm²）的函數光伏充電/恒流放電曲線

圖4.?SiPV–LIB設備在太陽光光照強度為100mW/cm²下的放電性能

（a）SiPV–LIB設備作為放電電流密度（28，30，48和60C）的函數的恒流放電曲線，插圖顯示了SiPV–LIB設備在黑暗環境中的放電曲線

（b）SiPV–LIB設備中的LIB在太陽光照（紅線）下和在黑暗環境中（黑線）的內阻大小

（c）SiPV–LIB設備在太陽光照（紅線）下和在黑暗環境中（黑線）的拉貢圖

（d）數碼照片顯示一部智能手機正在陽光下通過SiPV–LIB設備進行充電

【總結】

該研究成功論證了一種單片集成化的硅基太陽能光伏-鋰離子電池系統，具有優異的光伏-電化學性能以及設計上的緊湊性。固態的雙電極LIB直接在硅基光伏電池模板上集成，0.36cm2的Si光伏電池上含有25個LIB單元，輸出電壓可以達到14.1V，轉化效率可達到15.8%。該電源系統在28C的大倍率下可持續放電，經過100次循環后其容量保持率在98%以上，同時在60℃的高溫和僅有8mW/cm²的光照強度下仍具有比較良好的存儲性能。另外，該光伏電源系統理論上由極高的功率密度，這為其應用也提供了無限可能。

文獻鏈接：Monolithically integrated, photo-rechargeable?portable power sources based on miniaturized?Si solar cells and printed solid-state lithium-ion?batteries （Energy Environ. Sci. ，2017，DOI: 10.1039/C6EE03266D）

本文由材料人編輯部新能源學術組 charles 供稿，材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。

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