新型光伏儲電原位集成電池研究進展

于守武, 趙澤文,, 趙晉津, 肖淑娟, 師巖, 高存法, 蘇曉, 胡宇翔, 趙智勝, 王婕, 王連洲

新型光伏儲電原位集成電池研究進展

于守武1, 趙澤文1,2, 趙晉津2, 肖淑娟1, 師巖3, 高存法3, 蘇曉2, 胡宇翔4, 趙智勝5, 王婕2, 王連洲4

(1. 華北理工大學 材料科學與工程學院, 唐山 063009; 2. 石家莊鐵道大學 材料科學與工程學院, 石家莊 050043; 3. 南京航空航天大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室, 南京 210016; 4. 昆士蘭大學 化工學院, 納米材料研究中心, 澳大利亞生物工程與納米科技研究所, 布里斯班 QLD 4072, 澳大利亞; 5. 燕山大學 亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室, 秦皇島 066004)

隨著光伏智能電子產品日益融入到日常生活, 人們不僅對高性能光伏發電設備的需求增加, 同時對智能化、可持續和快速充電/放電能源集成設備的需求也急劇增加, 將能量產生部件和能量存儲部件結合成獨立設備已經成為一種極具有吸引力和挑戰性的前沿技術。原位逐層制備光電轉換功能薄膜與儲電功能薄膜并組裝, 獲得光伏儲電原位集成電池的技術, 既減少了太陽光波動對能量輸出的影響, 又可以實現光伏自供電、弱光緩沖和可穿戴等功能, 因此具有良好的發展前景。本文綜述了硅基光伏儲電原位集成電池、敏化光伏儲電原位集成電池、鈣鈦礦光伏儲電原位集成電池的最新研究成果, 介紹了此類新型電池性能的評價方法, 分析了其工作原理、構造特點和性能參數, 并對此新興研究領域的發展趨勢進行了展望。

硅基太陽能電池; 敏化太陽能電池; 鈣鈦礦太陽能電池; 能量儲存; 光伏儲能; 原位集成; 綜述

太陽能具有清潔、取之不盡用之不竭、不受地域限制的優點, 是最具開發潛力的可再生能源之一[1]。近年來, 太陽能加熱[2]、光伏發電[3-4]、光催化[5-6]等太陽能利用技術不斷發展, 其中將太陽光轉化為電能的太陽能電池技術日新月異, 迄今已開發出了多種類型的太陽能電池, 例如硅基太陽能電池(SiSC)、敏化太陽能電池(SSC)、鈣鈦礦太陽能電池(PSC)等。提供穩定持續的電能是對電池的基本要求, 然而太陽能電池夜間不工作, 弱光轉換效率低, 因此集成太陽能電池模塊和存儲電能模塊(如電容器和鋰電池等)是解決持續供電問題的必要措施。目前光伏儲電集成器件制備工藝主要有光伏儲電物理線路串聯[7-10]和光伏儲電原位集成兩種[11-13], 其中物理線路串聯的光伏儲電系統, 即非原位集成系統, 存在功率密度低、能量密度低、總能量轉換效率低, 價格昂貴, 體積碩大, 需要外部電路接通等問題[14-15]。將光電轉換功能薄膜部件與儲電功能薄膜部件原位逐層制備并組裝, 獲得光伏儲電原位集成電池技術, 具有高效、能量輸出穩定、可持續、環保、可穿戴等優點, 可適應當前生命科學、信息科學、電子工業等領域對能源電池小型化、功能化和智能化的發展要求。而目前還未有關于光伏儲電原位集成電池的綜述報道。本文詳述了以硅基太陽能電池、敏化太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池為光電轉換層, 超級電容器和鋰電池等為能量存儲層的“三明治”結構光伏儲電原位集成電池的最新研究進展, 討論了性能評價方法、工作原理、構造特點和性能參數, 并對光伏儲電原位集成電池的發展趨勢進行了展望。

1 光伏儲電原位集成電池性能評價

光伏儲電原位集成電池由太陽能電池模塊和儲能電池模塊兩部分組成, 如圖1所示。其綜合性能

圖1 光伏儲電原位集成電池的示意圖

與太陽能電池的光電轉換單元性能和能量儲存單元性能有關[16-19]。

太陽能電池模塊性能可使用公式(1, 2)來計算:

solar=ocsc/in(1)

solar=in·solar(2)

其中,solar、oc(V)、sc(mA/cm2)、和in(mW/cm2)分別是太陽能電池轉換效率、開路電壓、短路電流密度、填充因子和入射光功率密度(國際標準為 100 mW/cm2);solar(W)為光電轉換功率,(s)為太陽光照射時間,solar為太陽能電池光吸收面積。

評估儲能電池模塊的性能, 一般進行不同掃描速率下的循環伏安測試, 可從曲線中獲得儲電裝置電容storage(F)的值, 根據公式(3)可計算出能量儲存性能:

storage= 0.5?storage?2(3)

其中,storage(W)為存儲的能量,(V)是儲能電池模塊的電壓。理想狀態下, 儲能電池模塊的電壓可以達到太陽能電池oc, 將其帶入公式(3)得到理想儲能電池能量(max)。故儲能電池效率storage可根據等式(4)確定:

storage=storage/max(4)

綜上, 光伏儲電原位集成電池的總能量轉換效率overall可以根據等式(5)獲得[11-18]:

overall=output/input=storage/solar=

0.5storage?2/(in?solar?)=solar·storage(5)

其中,output和input分別為儲能電池模塊的電能量輸出和太陽能電池模塊的光能量輸入。

2 光伏儲電原位集成電池

2.1 硅基光伏儲電原位集成電池

自1954年第一個硅基太陽能電池問世以來[20], 其制備技術蓬勃發展, 目前在國內外實際應用與工業生產中占據市場份額90%左右[21-24], 原因主要有兩點: 第一, 硅基太陽能電池容易制備大面積器件, 易于推廣應用; 第二, 硅基太陽能電池具有較高的solar和相對較低的制備成本。然而硅基太陽能電池存在對原料純度要求苛刻、制造工藝復雜、耗電量大, 并且存儲電能裝置鉛酸蓄電池笨重, 能量密度低, 溢酸等問題[25]。硅基太陽能電池是由硅基體摻雜n型(磷等)或者p型(硼等)半導體形成PN結, 構建內建電場, 內建電場方向由N型層指向P型層。當外界光照時, 硅基體吸收太陽光能量, 產生大 量的光生電子和光生空穴。光生電子向N型層移 動, 光生空穴向P型層移動, 形成光生伏特電勢, 將兩端連成電路則會生成光生電流, 也就是直流 電[26-28]。

在硅基太陽能電池背光面上, 加接制備超級電容器或者鋰電池儲電功能薄膜, 組裝成硅基光伏儲電原位集成電池, 如圖2(a)所示。孫寶全課題組[29]通過金屬輔助化學蝕刻精確控制納米線參數, 并通過溶液鈍化工藝對納米線表面改性, 制備出solar為13.39%的高性能聚(3,4-亞乙基二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸)包覆的硅基太陽能電池。中間采用雙功能鈦膜作為公共電極與超級電容器原位相連, 電容器單元采用電化學沉積方法制備, 多孔聚乙烯薄膜和聚乙烯醇-磷酸分別作為電容器的隔膜和電解質, 得到的硅基光伏儲電原位集成電池的overall為10.5%, 如圖2(b)所示。隨著微制造技術的進步, 激光刻劃工藝顯示出工藝簡單且成本低的優點, 顧敏課題組[30]采用激光刻劃的氧化石墨烯薄膜當作儲能電池模塊集成在硅基太陽能電池之下, 構造一種光伏儲電原位集成電池, 如圖2(c)所示。該光伏儲電原位集成電池的overall為9.72%, 其中solar、storage分別為15.69%、62%。裴啟兵課題組[19]將激光刻劃石墨烯超級電容器與硅基光伏器件集成, 并選用金(Au)作為連接兩個單元的公共電極(圖2(d)), 原位集成后的光伏儲電電池overall為2.92%。因為Au公共電極的應用, 獲得了優異的充電/放電循環穩定性。激光刻劃工藝制備的石墨烯儲能材料具有優異的功率密度、循環壽命和穩定性能。

圖2 硅基光伏儲電原位集成電池的(a~b)照片[29]和(c~d)結構示意圖[19,30]

除了將硅基太陽能電池與超級電容器結合外, 2017年Lee Sang-Young課題組[31]設計了一種將微型硅基太陽能電池和固態鋰離子電池(LIB)原位集成的可充電便攜式電源設備。具有雙電極配置的固態LIB通過印刷工藝直接制造在硅基光伏模塊上, 使兩個不同的能量系統實現無縫原位連接。該集成組件顯示出較好的性能, 其中solar為15.8%, 光伏儲電原位集成電池的overall為7.61%。

上述研究者制備的硅基光伏儲電原位集成電池性能參數見表1。硅基光伏儲電原位集成電池solar較高且相對穩定,overall更多受制于storage。

2.2 敏化光伏儲電原位集成電池

染料敏化太陽能電池, 簡稱DSSC。自1991年Gr?ztel課題組[32]制備出第一塊光電轉化率為7.1%的二氧化鈦納米多孔薄膜染料敏化太陽能電池以來, 因其可通過卷對卷工藝制造、成本低廉、環保等特點, 得到了廣泛的關注并迅速發展起來, 到目前DSSC經美國國家可再生能源實驗室(NREL)認證的光電轉換效率最高為11.9%。典型的DSSC主要由導電基底、半導體納米多級孔薄膜(TiO2、ZnO)、染料敏化劑(N719、C101等)、含有氧化還原電對的電解質和對電極幾個主要部分組成。目前轉換效率較高的DSSC所用的電解質多為液態電解質。太陽光照時, 染料分子吸收太陽光能量, 從基態激發為激發態。激發態的染料分子將電子注入到TiO2導帶中, 同時染料分子失去電子變為氧化態。注入到TiO2導帶中的電子可快速到達膜與導電玻璃的接觸面并且在導電基底富集, 再經外電路流向對電極[33-35]。然而, 液態電解質存在溶劑易揮發泄露、對器件的封裝技術要求高、且長期使用過程中電池效率下降明顯等問題[36]。

在敏化太陽能電池光陰極上連續疊層制備儲電薄膜, 得到“三明治”結構的原位集成器件, 稱為敏化光伏儲電原位集成電池, 如圖3(a)所示。2004年, Miyasaka等[12]報道了一種稱之為“光電容器”的組件, 該組件以DSSC作為光電轉換模塊, 超級電容器作為儲能電池模塊。在太陽能電池中將LiI與TiO2結合, 提高了該集成設備的整體性能, 但該類型集成組件在穩定照明下完全充電后無法提供連續的功率輸出。因此, 該課題組在之后一年通過在工作電極和對電極之間引入內部雙功能電極制備出一種新型三電極配置的光伏儲電原位集成電池, 在公共電極一側進行光電轉換, 在另一側進行電荷儲存, 相比于雙電極系統具有更好的能量儲存和輸出性能[37]。Segawa課題組[38]在氟摻雜的氧化錫導電層上逐層制備N719染料層、TiO2納米顆粒層和鉑電極, 組成太陽能電池模塊, 其中Pt電極和涂覆有聚吡咯的電荷存儲電極共同連接在同一個梳狀電極中, 制備得到三電極光伏儲電原位集成電池,overall達到3.21%。彭慧勝課題組[39]制備出一種全固態光伏儲電原位集成電池, 其中儲電功能通過將凝膠或固態電解質夾在對準的多壁碳納米管(MWCNT)中實現, 再將摻有染料的TiO2敏化光電轉換模塊制備到其中一個MWCNT電極上, 如圖3(b)所示。當太陽光照射時, 來自染料分子的光生成電子被注入到TiO2納米顆粒的導帶中, 然后由外部電路傳輸到最外層的MWCNT電極, 進行能量的儲存。MWCNT材料的高比表面積使整個集成電池的overall達到5.12%, 其中太陽能電池模塊的solar為6.1%。公共電極材料直接關系到光伏儲電原位集成電池的整體性能, 不少研究者對電極材料的選用進行了探究。江洪睿課題組[40]通過濺射工藝在聚偏二氟乙烯涂層表面制備了導電Au層, 然后在Au層上電沉積Pt催化劑, 接著在上面制備TiO2/N719染料敏化太陽能電池模塊。儲能電池模塊采用 ZnO納米線陣列復合材料來提高其儲存的電荷密度, 整個光伏儲電原位集成電池的overall為3.7%。Pint C L課題組[41]通過使用簡單的晶圓級工藝從硅晶片中制備出多功能電極, 該電極取代了常規用于DSSC的Pt電極, 同時也可作超級電容器的電極, 該光伏儲電原位集成電池的overall為2.1%。Kulesza課題組[42]將有機染料D35改性二氧化鈦和聚3-己基噻酚基共軛聚合物層作為DSSC部件, 將氧化釕電池作為儲能電池部件, 并采用銀電極作為公共電極, 獲得的光伏儲電原位集成電池的overall為0.8%。

表1 硅基光伏儲電原位集成電池的性能參數

*solar,storageandoverallare the maximum values reported in the literatures

圖3 敏化光伏儲電原位集成電池的(a)照片[46], (b~f)結構和線路示意圖[11,39,46]; (g~h)量子點敏化光伏儲電原位集成電池的結構示意圖[48]

為了滿足人們對于電子產品便攜化的要求, 國內外研究者開展了柔性光伏儲電原位集成電池的研發工作。Bella課題組[43]提出了一種柔性可彎曲光伏儲電原位集成電池設備, 該設備由基于TiO2納米管的DSSC和基于石墨烯的電容器組成。太陽能電池模塊和儲能電池模塊的公共電極選用鈦和不銹鋼網格。采用垂直排列的TiO2納米管作為DSSC光陽極, 石墨烯納米薄片作為儲能電池材料。在兩個單元中間采用甲基丙烯酸酯的聚合物電解質膜(PEM)作為公共電極和隔離膜, 通過浸泡在兩種不同液體電解質中使之活化。PEM的使用有效防止了電解液的滲漏, 確保DSSC壽命的同時, 保證了超級電容器有足夠的離子遷移率和儲電能力, 該柔性光伏儲電原位集成電池的overall為1.46%。還有一些研究人員致力于在纖維上制備光伏儲電原位集成電池, 這是由于纖維具有重量輕、靈活、價格低廉、適合特殊應用并且能夠與布料結合等優點。彭慧勝課題組[44]設計了一種光伏儲電原位集成線狀電池, 同時實現了良好的光電轉換性能和儲電性能。他們采用二氧化鈦納米管對Ti線表面進行改性, 之后去除Ti線中間和兩端的改性部分, 使改性的Ti線分成兩部分。選擇改性Ti線的一部分涂覆光活性染料, 另一部分涂覆電解質, 最后將碳納米管(CNT)與其絞合得到纖維狀集成電池, 該光伏儲電原位集成電池overall為1.5%, 其solar為2.2%。該課題組[45]優化工藝, 采用表面上具有垂直排列的二氧化鈦納米管的Ti線和水平排列的CNT作為集成器件中的兩個電極, 為電荷的傳輸提供了有效的途徑,solar可提高到2.73%,storage為75.7%。該課題組[11]進一步研究采用化學沉積工藝合成連續、對齊的CNT薄膜作為內部電極纏繞在彈性橡膠纖維上, 接著在其上涂覆聚乙烯醇-磷酸凝膠, 然后再次包覆相同的CNT薄膜, 得到儲能電池模塊。隨即在該模塊上疊層制備太陽能電池模塊,overall達到1.83%, 如圖3(c, d)所示。鄒德春課題組[18]使用聚苯胺涂覆的不銹鋼絲作為公共電極, 將DSSC和超級電容器原位結合, 得到重量輕、靈活和價格低廉的纖維狀光伏儲電原位集成電池,overall、solar和storage分別為2.12%、4.56%和46%。王中林課題組[46]提出了混合自充電動力紡織系統的概念, 通過使用纖維狀染料敏化太陽能電池(用于太陽能)和纖維狀摩擦電納米發電機(用于隨機體運動能量), 將收集的兩種能量較容易地轉換成電能, 然后進一步轉換為化學能存儲在纖維狀儲能電池器件中, 如圖3(e, f)所示。

量子點敏化太陽能電池(QDSSC)是在DSSC的基礎上發展而來的, 它采用無機半導體量子點作為敏化劑, 克服了傳統有機染料敏化劑吸光范圍較窄的缺點, 并且電池的制備成本更低。目前, 經NREL認證, 王連洲課題組[47]制備的全固態量子點太陽能電池的solar為最高記錄。俞大鵬課題組[48]使用雙面網狀電極作為公共電極將CdS/CdSe量子點敏化太陽能電池與超級電容器原位集成, 得到一種網狀光伏儲電原位集成電池, 如圖3(g, h)所示。

除了上述將敏化太陽能電池與超級電容器原位集成外, 還可將其與鋰離子電池(LIB)、氧化還原液流電池(RFB)原位集成。王中林課題組[49]提出在具有雙面TiO2納米管陣列(TiO2NT)的鈦箔上原位制備DSSC和LIB, 上部是使用TiO2NT作為電子收集器制造的DSSC, 下部是基于TiO2NT的LIB, 用于存儲DSSC產生的電能。當太陽光照射時, 產生的電子從染料分子注入到TiO2NT的導帶中, 并沿著Ti箔傳輸到LIB的陽極, 而產生的空穴在Pt電極處積聚, 此時LIB部分處于充電狀態。來自DSSC的電子與鋰離子在陽極發生化學過程為TiO2+Li++e–→LiTiO2, 陰極LiCoO2→Li1–xCoO2+Li++e–, 釋放的自由電子將通過外電路流到DSSC的對電極, 以與Pt電極中的空穴結合, 完成了電荷生成、分離和儲存的整個過程, 該光伏儲電原位集成電池的overall為0.82%。Ho Kuo-Chuan課題組[50]采用電泳沉積法將TiO2沉積到基板上并使用染料N719作為光活性層組成太陽能電池模塊。并通過公共Pt電極來連接厚度約為0.5 mm 的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)薄膜鋰電池。該課題組在同一年, 將N3染料(雙(異硫氰基)釕(II)-雙-2,2-聯吡啶-4,4-二羧酸)敏化太陽能電池與聚(3,3-二乙基-3,4-二氫-2H-噻吩并[3,4-B][1,4]二氧雜環庚烯)導電聚合物薄膜(作為存儲電能模塊)原位集成了光伏儲電電池[51]。李東棟課題組[52]設計了一種新型光伏儲電原位集成電池, 由DSSC與基于一維氧化鈦納米管陣列構建的鋰電池組成, 儲能電池單元制備過程中采用選擇性等離子體輔助氫化處理, 通過該工藝處理的集成電池overall為1.64%。高學平課題組[53]采用I3–/I–和[Fe(C10H15)2]+/Fe(C10H15)2氧化還原電解液作為兩個循環回路, 原位集成DSSC/RFB電池, 實現了光–化學–電能的轉換和存儲。該課題組[54]進一步采用喹喔啉水溶液作為RFB陽極電解液, 得到DSSC與RFB光伏儲電原位集成電池,overall為1.2%。

上述研究者制備的敏化光伏儲電原位集成電池性能參數見表2。該類型集成電池受制于相對較低的solar, 導致其overall也普遍偏低。

表2 敏化光伏儲電原位集成電池的性能參數

*solar,storageandoverallare the maximum values reported in literatures.

2.3 鈣鈦礦光伏儲電原位集成電池

鈣鈦礦太陽能電池(PSC), 其鈣鈦礦材料具有特征化學式ABX3, 20世紀90年代Mitzi及其同事[55-56]首次將其應用于發光二極管和晶體管, 其中的A為有機陽離子(CH3NH3+(MA+)、NH2CH=NH2+(FA+), B為金屬陽離子(Sn2+、Pb2+), X為鹵化物陰離子(Cl–、I–、Br–)。2009年, Miyasaka課題組[57]報道了將鈣鈦礦材料作為敏化劑組裝到太陽能電池中, 得到太陽能電池轉換效率為3.81%。隨后的研究揭示了鈣鈦礦材料的更多優勢, 包括帶隙可調、吸收系數高、載流子遷移率高等[58]。由于液態電解質存在漏液等問題, 鈣鈦礦太陽能電池的研究方向轉向固態電池。該電池分為正式(n-i-p)和反式(p-i-n)兩種結構, 其中正式n-i-p結構為導電層(p型層)/電子傳輸層(n型層)/鈣鈦礦吸光層/空穴傳輸層/電極, 反式p-i-n結構為導電層/空穴傳輸層/鈣鈦礦吸光層/電子傳輸層/電極。光照時鈣鈦礦層吸收光能并且激發出大量的電子–空穴對, 電子、空穴分別由n型層和p型層收集并傳輸給電極, 形成電路[59-69]。到目前為止, 鈣鈦礦太陽能電池經NREL認證的solar最高達到25.2%[57-70]。

在鈣鈦礦太陽能電池基礎上原位制備電容器或鋰電池薄膜, 得到鈣鈦礦光伏儲電原位集成電池, 如圖4(a)所示。在2015年, 王鳴魁課題組[71]將鈣鈦礦太陽能電池和聚吡咯超級電容器原位集成光伏儲電電池, 該鈣鈦礦太陽能電池模塊結構為FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD/Au, 獲得鈣鈦礦太陽能電池的solar為13.6%。在標準太陽光(100 mW/cm2)照射下器件具有1.45 V的高輸出電壓,overall達到了10%。金鐘課題組[72]利用碳電極原位集成光電轉換模塊與能量存儲模塊, 該光伏儲電原位集成電池結構為FTO/致密TiO2(c-TiO2)/介孔TiO2(m-TiO2)/ CH3NH3PbI3/碳電極/凝膠電解質/碳電極。在太陽光照射過程中, CH3NH3PbI3層吸收光并產生電子–空穴對, 之后電子–空穴對快速分離, 電子被轉移到超級電容器單元的外電極, 空穴存儲在光伏和超級電容器共用碳電極上。以這種方式, 光伏單元上的連續光照射可以有效地實現光電荷的產生和轉移, 給超級電容器單元提供快速充電。該裝置結構簡單、緊湊,overall達到7.1%。廖廣蘭課題組[13]采用刮涂法制備碳電極作為公共電極, 在公共碳電極上制備鈣鈦礦太陽能電池來進行光電轉換, 在另一面制備非對稱MnO2電容器進行能量儲存, 如圖4(b)所示, 該光伏儲電原位集成電池的overall為5.26%。除了采用常見的碳電極作為公共電極, Lee Kwanghee課題組[73]制備出基于聚乙烯醇–磷酸的固態超級電容器, 并在其上制備鈣鈦礦太陽能電池模塊。由于采用含銀環氧樹脂電極將鈣鈦礦太陽能電池與超級電容器原位互連, 光伏儲電原位集成電池表現出高的storage和overall, 分別為80.31%和10.97%, 如圖4(c)所示。考慮到鈣鈦礦材料遇水會降解, 劉長虹課題組[74]通過在鈣鈦礦太陽能電池和電容器之間制備超級碳納米管層(SACNT)來提高集成電池的穩定性, SACNT能減少電容器中凝膠電解質對鈣鈦礦材料的降解。鈣鈦礦光伏原位集成電池在可穿戴技術領域也取得了可喜的進展, Thomas Jayan課題組[75]報道了一種能量收集和存儲色帶, 其通過銅(Cu)色帶作為公共電極與PSC集成得到光伏儲電原位集成電池, 其中Cu色帶不僅用作太陽能電池的電子收集電極, 還用作生長超級電容器的氫氧化銅納米管(CuOHNT)的基板。通過將含有氫氧化鉀凝膠電解質的聚乙烯醇粘合到公共Cu電極的CuOHNT生長側, 開發儲能電池模塊。利用Cu公共電極, 柔性薄膜PSC產生的電荷直接傳輸并存儲在超級電容器中。在銅帶上開發柔性光伏儲電原位集成電池可以為可穿戴設備和其他便攜式設備提供靈活的自給能量系統, 如圖4(d)所示。趙晉津課題組[76]致力于柔性透明耐高溫無機云母(Mica)為基底的鈣鈦礦太能電池的研究, 目前該型電池的solar達到18%。同時, 王連洲課題組[77]將鈣鈦礦太陽能電池的Al電極擴展, 制備了鈣鈦礦太陽能電池集成鋁離子電池薄膜能量組,overall達到12.04%。上述研究有望推進便攜、高效的柔性鈣鈦礦光伏儲電原位集成電池的發展。

圖4 鈣鈦礦光伏儲電原位集成電池的(a)照片[75], (b~d)結構和線路示意圖[13,73,75]

表3 PSC-SPC型鈣鈦礦光伏儲電原位集成電池的性能參數

*solar,storageandoverallare the maximum values reported in the literatures

上述研究者制備的鈣鈦礦光伏儲電原位集成電池性能參數見表3。近年來PSC異軍突起, 實驗室階段的光電轉化效率快速提高, 但目前鈣鈦礦太陽能電池還存在一些需要攻克的難點, 例如穩定性、界面問題和成本等。

3 總結與展望

本文概述了各類太陽能電池模塊和儲能電池模塊原位集成的光伏儲電電池的發展情況, 重點介紹了SiSC、SSC和PSC作為光電轉換部件, 與電容器或鋰電池等儲能電池部件集成的光伏儲電原位集成固態或柔性電池。光伏儲電原位集成電池具有優異的性能, 如穩定性、靈活性和智能性等。目前硅基光伏儲電原位集成電池的overall已經達到10.5%, 敏化光伏儲電原位集成電池的overall達到5.12%, 相比之下, 鈣鈦礦光伏儲電原位集成電池的overall已達到10.97%, 且效率仍有提高空間, 說明鈣鈦礦太陽能電池與儲能電池部件原位集成具有良好的發展前景。光伏儲電原位集成電池是由太陽能電池模塊和儲能電池模塊集成的, 兩個模塊的性能直接決定了overall的高低, 兩個模塊的原位結構設計也關系到整體性能。未來光伏儲電原位集成電池的研發應向商業化發展, 以滿足傳感器網絡、可穿戴設備和電子產品等方面的實際應用。

[1] CELIK I, PHILLIPS A B, SONG Z N,. Environmental analysis of perovskites and other relevant solar cell technologies in a tandem configuration., 2017, 10(9): 1874–1884.

[2] SHUKLA R, SUMATHY K, ERICKSON P,. Recent advances in the solar water heating systems: a review., 2013, 19: 173–190.

[3] HEDLEY G J, RUSECKAS A, SAMUEL I D W. Light harvesting for organic photovoltaics., 2016, 117(2): 796–837.

[4] IONESCU C, BARACU T, VLAD G E,. The historical evolution of the energy efficient buildings., 2015, 49: 243–253.

[5] SHARMA S, JAIN K K, SHARMA A. Solar cells: in research and applications—a review., 2015, 6(12): 1145.

[6] RAN J R, ZHANG J, YU J G,. Earth-abundant cocatalysts for semiconductor-based photocatalytic water splitting., 2014, 43(22): 7787–7812.

[7] YUAN Y L, LU Y D, JIA B E,. Integrated system of solar cells with hierarchical NiCo2O4battery-supercapacitor hybrid devices for self-driving light-emitting diodes., 2019, 11(1): 42.

[8] YUAN Y L, WU Y H, ZHANG T,. Integration of solar cells with hierarchical CoSnanonets hybrid supercapacitors for self-powered photodetection systems., 2018, 404: 118–125.

[9] SELVAM S, BALAMURALITHARAN B, KARTHICK S N,. Novel high-temperature supercapacitor combined dye sensitized solar cell from a sulfated-cyclodextrin/PVP/MnCO3composite., 2015, 3(19): 10225–10232.

[10] HASSANALIERAGH M, SOYATA T, NADEAU A,. UR-SolarCap: an open source intelligent auto-wakeup solar energy harvesting system for supercapacitor-based energy buffering., 2016, 4: 542–557.

[11] YANG Z B, DENG J, SUN H,. Self-powered energy fiber: energy conversion in the sheath and storage in the core., 2014, 26(41): 7038–7042.

[12] MIYASAKA T, MURAKAMI T N. The photocapacitor: an efficient self-charging capacitor for direct storage of solar energy., 2004, 85(17): 3932–3934.

[13] LIU Z Y, ZHONG Y, SUN B,. Novel integration of perovskite solar cell and supercapacitor based on carbon electrode for hybridizing energy conversion and storage., 2017, 9(27): 22361–22368.

[14] GURUNG A, QIAO Q Q. Solar charging batteries: advances, challenges, and opportunities., 2018, 2(7): 1217–1230.

[15] SCHMIDT D, HAGER M D, SCHUBERT U S. Photo-rechar-geable electric energy storage systems., 2016, 6(1): 1500369.

[16] LECHENE B P, CLERC R, ARIAS A C. Theoretical analysis and characterization of the energy conversion and storage efficiency of photo-supercapacitors., 2017, 172: 202–212.

[17] LIU R Y, LIU Y Q, ZOU H Y,. Integrated solar capacitors for energy conversion and storage., 2017, 10(5): 1545–1559.

[18] FU Y P, WU H W, YE S Y,. Integrated power fiber for energy conversion and storage., 2013, 6(3): 805–812.

[19] LIU H H, LI M P, KANER R B,. Monolithically integrated self-charging power pack consisting of a silicon nanowire array/ conductive polymer hybrid solar cell and a laser-scribed graphene supercapacitor., 2018, 10(18): 15609–15615.

[20] CHAPIN D M, FULLER C S, PEARSON G L. A new silicon p-n junction photocell for converting solar radiation into electrical power., 1954, 25(5): 676–677.

[21] ALI H, KOUL S, GREGORY G,.transmission electron microscopy study of molybdenum oxide contacts for silicon solar cells., 2019, 216(7): 1800998.

[22] CHAN C E, WENHAM S R, HALLAM B J,. Monolithically integrated solar cell system. U.S, 10/211,354. 2019–2–19.

[23] NOGAY G, SAHLI F, WERNER J,25.1%-efficient monolithic perovskite/silicon tandem solar cell based on a p-type monocrystalline textured silicon wafer and high-temperature passivating contacts., 2019, 4(4): 844–845.

[24] ZHAO X W, WU H S, YANG L S,. High efficiency CNT-Si heterojunction solar cells by dry gas doping., 2019, 147: 164–171.

[25] WU X W, LI J Y, TAN Y. Technology of preparing diamond wire cut multicrystalline silicon wafer texture surface., 2017, 32(9): 985–990.

[26] LIU X J, JIA L J, FAN G P,. Au nanoparticle enhanced thin-film silicon solar cells., 2016, 147: 225–234.

[27] REN X D, ZI W, MA Q,. Topology and texture controlled ZnO thin film electrodeposition for superior solar cell efficiency., 2015, 134: 54–59.

[28] LIU X J, ZI W, LIU S Z. p-Layer bandgap engineering for high efficiency thin film silicon solar cells., 2015, 39: 192–199.

[29] LIU R Y, WANG J, SUN T,. Silicon nanowire/polymer hybrid solar cell-supercapacitor: a self-charging power unit with a total efficiency of 10.5%., 2017, 17(7): 4240–4247.

[30] THEKKEKARA L V, JIA B H, ZHANG Y,. On-chip energy storage integrated with solar cells using a laser scribed graphene oxide film., 2015, 107(3): 031105.

[31] UM H D, CHOI K H, HWANG I,. Monolithically integrated, photo-rechargeable portable power sources based on miniaturized Si solar cells and printed solid-state lithium-ion batteries., 2017, 10(4): 931–940.

[32] O'REGAN B, GR?TZEL M. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2films., 1991, 353(6346): 737.

[33] YUN S, FREITAS J N, NOGUEIRA A F,. Dye-sensitized solar cells employing polymers., 2016, 59: 1–40.

[34] SU’AIT M S, RAHMAN M Y A, AHMAD A. Review on polymer electrolyte in dye-sensitized solar cells (DSSCs)., 2015, 115: 452–470.

[35] MAHMOOD A. Recent research progress on quasi-solid-state electrolytes for dye-sensitized solar cells., 2015, 24(6): 686–692.

[36] MENG X D, YIN M, SHU T,. Research progress on counter electrodes of quantum dot-sensitized solar cells., 2018, 33(5): 483–493.

[37] MURAKAMI T N, KAWASHIMA N, MIYASAKA T. A high- voltage dye-sensitized photocapacitor of a three-electrode system., 2005(26): 3346–3348.

[38] SAITO Y, OGAWA A, UCHIDA S,. Energy-storable dye-sensitized solar cells with interdigitated nafion/polypyrrole–Pt comb-like electrodes., 2010, 39(5): 488–489.

[39] YANG Z B, LI L, LUO Y F,. An integrated device for both photoelectric conversion and energy storage based on free-standing and aligned carbon nanotube film., 2013, 1(3): 954–958.

[40] ZHANG X, HUANG X Z, LI C S,Dye-sensitized solar cell with energy storage function through PVDF/ZnO nanocomposite counter electrode., 2013, 25(30): 4093–4096.

[41] COHN A P, ERWIN W R, SHARE K,. All silicon electrode photocapacitor for integrated energy storage and conversion., 2015, 15(4): 2727–2731.

[42] SKUNIK-NUCKOWSKA M, GRZEJSZCZYK K, KULESZ P J,. Integration of solid-state dye-sensitized solar cell with metal oxide charge storage material into photoelectrochemical capacitor., 2013, 234: 91–99.

[43] SCALIA A, BELLA F, LAMBERTI A,. A flexible and portable powerpack by solid-state supercapacitor and dye-sensitized solar cell integration., 2017, 359: 311–321.

[44] CHEN T, QIU L B, YANG Z L,. An integrated “energy wire” for both photoelectric conversion and energy storage., 2012, 51(48): 11977–11980.

[45] CHEN X L, SUN H, YANG Z B,. A novel “energy fiber” by coaxially integrating dye-sensitized solar cell and electrochemical capacitor., 2014, 2(6): 1897–1902.

[46] WEN Z, YEH M H, GUO H Y,. Self-powered textile for wearable electronics by hybridizing fiber-shaped nanogenerators, solar cells, and supercapacitors., 2016, 2(10): e1600097.

[47] Best Research-Cell Efficiency Chart(NREL). https://www.nrel. gov/pv/cell-efficiency.html.

[48] SHI C L, DONG H, ZHU R,. An “all-in-one” mesh-typed integrated energy unit for both photoelectric conversion and energy storage in uniform electrochemical system., 2015, 13: 670–678.

[49] GUO W X, XUE X Y, WANG S H,. An integrated power pack of dye-sensitized solar cell and Li battery based on double-sided TiO2nanotube arrays., 2012, 12(5): 2520–2523.

[50] CHEN H W, HSU C Y, CHEN J G,. Plastic dye-sensitized photo-supercapacitor using electrophoretic deposition and compression methods., 2010, 195(18): 6225–6231.

[51] HSU C Y, CHEN H W, LEE K M,. A dye-sensitized photo-supercapacitor based on PProDOT-Et2thick films., 2010, 195(18): 6232–6238.

[52] XU J, WU H, LU L F,. Integrated photo-supercapacitor based on bi-polar TiO2nanotube arrays with selective one-side plasma‐assisted hydrogenation., 2014, 24(13): 1840–1846.

[53] LIU P, CAO Y L, LI G R,. A solar rechargeable flow battery based on photoregeneration of two soluble redox couples., 2013, 6(5): 802–806.

[54] YAN N F, LI G R, GAO X P. Electroactive organic compounds as anode-active materials for solar rechargeable redox flow battery in dual-phase electrolytes., 2014, 161(5): A736–A741.

[55] KAGAN C R, MITZI D B, DIMITRAKOPOULOS C D. Organic- inorganic hybrid materials as semiconducting channels in thin-film field-effect transistors., 1999, 286(5441): 945–947.

[56] MITZI D B, FEILD C A, HARRISON W T A,. Conducting tin halides with a layered organic-based perovskite structure., 1994, 369(6480): 467.

[57] KOJIAMA A, TESHIMA K, SHIRAI Y,. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells., 2009, 131(17): 6050–6051.

[58] CHU Z Y, LI G L, JIANG Z H,. Recent progress in high-quality perovskite CH3NH3PbI3single crystal., 2018, 33(10): 1035–1045.

[59] JIANG Q, CHU Z M, WANG P Y,. Planar-structure perovskite solar cells with efficiency beyond 21%., 2017, 29(46): 1703852.

[60] JIANG Q, ZHANG L Q, WANG H L,. Enhanced electron extraction using SnO2for high-efficiency planar-structure HC(NH2)2PbI3-based perovskite solar cells., 2017, 2(1): 16177.

[61] XIONG L B, GUO Y X, WEN J,. Review on the application of SnO2in perovskite solar cells., 2018, 28(35): 1802757.

[62] DJURI?I? A B, LIU F Z, TAM H W,. Perovskite solar cells-an overview of critical issues., 2017, 53: 1–37.

[63] HUANG J, XIANG S H, YU J S,. Highly efficient prismatic perovskite solar cells., 2019, 12(3): 929–937.

[64] JUNG E H, JEON N J, PARK E Y,. Efficient, stable and scalable perovskite solar cells using poly (3-hexylthiophene)., 2019, 567(7749): 511.

[65] MUNDHAAS N, YU Z J, BUSH K A,. Series resistance measurements of perovskite solar cells usingsc–ocmeasurements., 2019, 3(4): 1800378.

[66] SCHMAGER R, GOMARD G, RICHARDS B S,. Nanophotonic perovskite layers for enhanced current generation and mitigation of lead in perovskite solar cells., 2019, 192: 65–71.

[67] SHIN S S, SUK J H, KANG B J,. Energy-level engineering of the electron transporting layer for improving open-circuit voltage in dye and perovskite-based solar cells., 2019, 12(3): 958–964.

[68] XIAO Y Q, WANG C L, KONDAMAREDDY K K,. Enhancing the performance of hole-conductor free carbon-based perovskite solar cells through rutile-phase passivation of anatase TiO2scaffold., 2019, 422: 138–144.

[69] YANG D B, SANO T S, YAGUCHI Y,. Achieving 20% efficiency for low‐temperature‐processed inverted perovskite solar cells., 2019, 29(12): 1807556.

[70] WANG F Y, ZHANG Y H, YANG M F,. Exploring low-temperature processed-WO/SnO2hybrid electron transporting layer for perovskite solar cells with efficiency >20.5%., 2019, 63: 103825

[71] XU X B, LI S H, ZHANG H,. A power pack based on organometallic perovskite solar cell and supercapacitor., 2015, 9(2): 1782–1787.

[72] LIANG J, ZHU G Y, LU Z P,. Integrated perovskite solar capacitors with high energy conversion efficiency and fast photo- charging rate., 2017, 6(5): 2047–2052.

[73] KIM J, LEE S M, HWANG Y H,. A highly efficient self-power pack system integrating supercapacitors and photovoltaics with an area-saving monolithic architecture., 2017, 5(5): 1906–1912.

[74] LIU R H, LIU C H, FAN S S. A photocapacitor based on organometal halide perovskite and PANI/CNT composites integrated using a CNT bridge., 2017, 5(44): 23078–23084.

[75] LI C, ISLAM M M, MOORE J L,. Wearable energy-smart ribbons for synchronous energy harvest and storage., 2016, 7: 13319.

[76] JIA C M, ZHAO X Y, LAI Y H,. Highly flexible, robust, stable and high efficiency perovskite solar cells enabled by van der Waals epitaxy on mica substrate., 2019, 60: 476–484.

[77] HU Y X, BAI Y, LUO B,. A portable and efficient solar- rechargeable battery with ultrafast photo-charge/discharge rate., 2019, 9(28): 1900872.

Research Progress in NovelIntegrative Photovoltaic-storage Tandem Cells

YU Shouwu1, ZHAO Zewen1,2, ZHAO Jinjin2, XIAO Shujuan1, SHI Yan3, GAO Cunfa3, SU Xiao2, HU Yuxiang4, ZHAO Zhisheng5, WANG Jie2, WANG Lianzhou4

(1. College of Materials Science and Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan 063009, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China; 3. State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 4. Australian Institute for Bioengineering and Nanotechnology, Nanomaterials Centre, School of Chemical Engineering, The University of Queensland, Brisbane QLD 4072, Australia; 5. State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

As smart electronic products are increasingly applied in our daily life, there is not only an increasing demand for high-performance photovoltaic power generation devices, but also strong need forenergy storage functions in these devices. The integration of energy generating components and energy storage components into one device has become an attractive challenging technology. The basic idea is that by integration design and engineering the assembly of the photoelectric conversion layer and the energy storage layer into oneenergy conversion and storage system could not only offer multiple functions, such as self-powered ability, weak light buffer and portability, but reduce sunlight fluctuation effect on energy output. This review summarizes the research progress in novelintegrative photovoltaic-storage tandem cells, classified by silicon solar cell, sensitized solar cell and perovskite solar cell. Evaluation of methodology, operational principle, construction feature, and performance parameter are also discussed and critically reviewed, and the further development ofintegrative photovoltaic-storage tandem cell is also prospected.

silicon solar cell; sensitized solar cell; perovskite solar cell;energy storage;photovoltaic-storage;integration; review

TQ174

A

1000-324X(2020)06-0623-10

10.15541/jim20190342

2019-07-10;

2019-09-01

河北省自然科學基金杰出青年項目(A2019210204); 國家自然科學基金(11772207); 河北省青年拔尖人才支持計劃; 深圳孔雀團隊計劃(KQTD20170810160424889); 機械結構力學及控制國家重點實驗室(南京航空航天大學)開放課題(MCMS-E-0519G04); 亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室(燕山大學)開放基金(201919)

Natural Science Foundation of Hebei Province for Distinguished Young Scholar (A2019210204); National Natural Science Foundation of China(11772207); Youth Top-notch Talents Supporting Plan of Hebei Province; Shenzhen Peacock Team Program (KQTD20170810160424889); State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics (MCMS-E-0519G04); The Open Fund of State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology (201919)

于守武(1979–), 男, 博士, 副教授. E-mail: yushouwu@ncst.edu.cn

YU Shouwu (1979–), male, PhD, associate professor. E-mail: yushouwu@ncst.edu.cn

王連洲, 教授. E-mail: l.wang@uq.edu.au

WANG Lianzhou, professor. E-mail: l.wang@uq.edu.au