Energy. Environ. Sci. 蔚山国立科技研究所：太阳能电池与锂离子电池的结合—单片集成的便携式电源

【引言】

随着人类能源体系的优化升级，智能能源时代即将到来，它也促使了人类生活中各种电子设备、单元化的能量储存系统和柔性设备的发展和广泛使用。现代的能源系统既要有高性能的产能装置如太阳能光伏电池、燃料电池及其他的可再生能源设备，又要有性能优秀的储能装置如锂离子电池、超级电容器等。单独从产能装置和储能装置来看，两者的发展都十分迅速，各自的性能也有十足的进步。但是这两种设备在能源体系中的单独应用远远不能解决能量/功率密度低、可移动设备对能源的依赖性这两个问题，所以将产能设备和储能设备结合起来成为了解决上述问题的一个思路。例如，光伏电池首先将光能转化为电能，然后再储存在电池中；这样光伏电池系统就能在光照下不断地驱动电子设备，从而解决电池体系的能量密度问题和可移动设备问题。在电动汽车领域，这样的光伏电池系统能有效地解决汽车电池的充电问题。

【成果简介】

近日，韩国蔚山国立科技研究所的李杉阳教授（通讯作者）在Energy & Environmental Sciences上发表了题为“Monolithically integrated, photo-rechargeable portable power sources based on miniaturized Si solar cells and printed solid-state lithium-ion batteries”的文章，文中介绍了一种新型的在小型晶体硅光伏电池（c-Si PVs）和打印固态锂离子电池上单片集成的光伏便携式电源系统，研究者通过串联打印技术在小型晶体硅光伏电池的铝电极上直接组装了具有两极结构的固体锂离子电池，使得产能设备和储能设备在结构、电气上能无缝连接。这种单单元的光伏-锂离子电池设备与传统的使用单独的光伏电池、锂离子电池的设备相比，具有优异的电化学性能，能够达到快速充电、低光照强度下使用、高温条件下光伏充电、7.61%的光电子转化存储效率、长期循环性能和光照下以28C的大电流密度持续放电的性能。这项研究开启了发展单单元、光伏可充电高性能便携式电池的新路径，且具有可升级前景，能够达到未来电子设备的要求。

【图文导读】

图1. 单片集成的硅基光伏-锂离子电池设备及双电极锂离子电池的电化学性能

（a）具有单片串联结构的SiPV-LIB的前部数码照片，插图显示了SiPV-LIB的后部数码照片

（b）硅基光伏-锂离子电池在太阳光照下的内部结构及工作原理示意图

（c）在c-SiPV模板上打印固态双电极LIB过程的示意图

（d）2层双电极LIB 和 （e）双电极LIB与c-Si PV模板之间的无缝界面 的横截面SEM图像

（f）1层（灰色曲线）和2层（蓝色曲线）LIB的恒流充放电曲线

（g）以SiPV–LIB设备和裸露双电极LIB作为时间函数的OCV曲线

（h）以SiPV–LIB设备中双电极LIB作为循环次数函数的恒流充放电曲线，充放电电流密度均为1.0C

图2. 高电压致密c-Si PV模板的组装过程

（a）在使用紫外可愈合聚合物及胶粘带上组装可自由移动的c-Si PV模板的示意图

（b）致密c-Si PV模板的数码照片（后部），显示了串联的25个太阳能电池

（c）图b中红色区域的光学显微图像显示了通过热沉积铝薄膜形成的互联太阳能电池

（d）以致密c-Si PV模板的电压（黑色线）和功率（蓝色线）作为微型电池数目的函数的曲线

图3. SiPV–LIB设备的光充电/恒流放电行为

（a）SiPV–LIB设备在光充电/恒流放电过程中的等效电路

（b）SiPV–LIB设备的光充电/恒流放电曲线。光充电过程为45s的时间从3.0V充至5.4V，光照强度为100mW/cm²（1个太阳光强度）；恒流放电过程为以1.0C（=0.5mA/cm²）的电流密度放电至3V

（c）SiPV–LIB设备在光照强度为100mW/cm²（1个太阳光强度）和放电电流密度为1.0C（=0.5mA/cm²）下的光伏充电/恒流放电的循环性能（容量保持性由黑色线和空心圆表示，光电转换/存储效率由蓝色线和实心圆表示），插图显示了反复循环过程中的光伏充电/恒流放电曲线

（d）以SiPV–LIB设备的光伏充电容量（黑线及空心圆）和光电转换/存储效率（蓝色实线及实心圆）作为光伏充电时间的函数的曲线

（e）SiPV–LIB设备与其他具有小型单单元结构的PV电池系统（有机太阳能电池OPV，超级电容器，DSSC-LIBs和DSSC-超级电容器）的光电转换/存储效率的对比

（f）数码照片显示了嵌入智能卡片的SiPV–LIB的工作过程，插图显示了所得到的智能卡片的整体厚度

（g）SiPV–LIB设备的恒流放电倍率容量（在100mW/cm²的光照强度下光伏充电120s之后），电流密度范围从0.5C至5.0C

（h）以SiPV–LIB设备在固定的1C放电倍率下作为光照强度（8，40和100mW/cm²）的函数光伏充电/恒流放电曲线

图4. SiPV–LIB设备在太阳光光照强度为100mW/cm²下的放电性能

（a）SiPV–LIB设备作为放电电流密度（28，30，48和60C）的函数的恒流放电曲线，插图显示了SiPV–LIB设备在黑暗环境中的放电曲线

（b）SiPV–LIB设备中的LIB在太阳光照（红线）下和在黑暗环境中（黑线）的内阻大小

（c）SiPV–LIB设备在太阳光照（红线）下和在黑暗环境中（黑线）的拉贡图

（d）数码照片显示一部智能手机正在阳光下通过SiPV–LIB设备进行充电

【总结】

该研究成功论证了一种单片集成化的硅基太阳能光伏-锂离子电池系统，具有优异的光伏-电化学性能以及设计上的紧凑性。固态的双电极LIB直接在硅基光伏电池模板上集成，0.36cm2的Si光伏电池上含有25个LIB单元，输出电压可以达到14.1V，转化效率可达到15.8%。该电源系统在28C的大倍率下可持续放电，经过100次循环后其容量保持率在98%以上，同时在60℃的高温和仅有8mW/cm²的光照强度下仍具有比较良好的存储性能。另外，该光伏电源系统理论上由极高的功率密度，这为其应用也提供了无限可能。

文献链接：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）

本文由材料人编辑部新能源学术组 charles 供稿，材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入材料人编辑部。

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