综述：集成光充电电池技术的进展

本文是关于集成光充电电池技术的综述。该技术结合光伏能量收集与直接储能，意义重大但面临性能评估难题。文章回顾其发展历程，梳理各类性能评估指标，对比不同系统性能，提出标准化建议，对推动太阳能电化学储能技术发展有重要参考价值。

　　

引言

能源领域的脱碳至关重要，这在很大程度上依赖可再生能源技术的创新。太阳能理论上虽能满足全球能源需求，但其间歇性和不稳定性限制了自身的发展，因此需要高效的捕获和存储系统来解决能源生产与消耗的不匹配问题。当前，太阳能光伏（PV）系统已在全球广泛应用，但光伏电池和电池的外部集成存在局限性，理想的情况是拥有一个能同时发电和存储多余能量的集成设备。

自 20 世纪 70 年代以来，研究人员探索了多种利用太阳能进行电化学应用的策略。光电化学领域利用太阳能驱动光电化学电池（PEC）内的氧化还原反应，实现太阳能到化学能的转化；光伏研究领域则专注于将太阳能转化为电能，再用于电池充电。在为离子基电池充电时，半导体的能带对齐对高效电荷转移至关重要。本文将对太阳能电化学储能（SEES）系统的发展历程、性能评估指标进行综述，并探讨面临的挑战与未来展望。

综述

20 世纪 70 年代，光电化学取得显著进展，Hodes 等人于 1976 年提出了太阳能电化学储能的概念。在随后的 20 年里，光电化学研究主要集中在太阳能水分解制氢和污染物的光氧化方面，而 SEES 研究相对较少。1991 年，染料敏化太阳能电池（DSSCs）和锂离子电池（LIBs）的出现，为 SEES 系统的发展带来了新的契机。1995 年，首次开展了基于 Li⁺嵌入过程的 SEES 研究。近年来，基于不同阳离子（如 Zn²⁺、Mg²⁺）的 SEES 系统以及将光伏电池集成到 SEES 系统的研究不断涌现。

评估系统性能的指标

为有效评估和比较集成光充电能源系统，需要建立标准化指标，涵盖太阳能到电能、太阳能到电化学能、电化学能到电能以及综合转换等方面的指标。

• 太阳能到电能转换指标：包括光电流密度（jph）、量子效率（EQE 和 IQE）、功率转换效率（PCE）等。光电流密度反映电极将光转化为电流的能力；量子效率衡量器件收集的电荷载流子数量与入射光子数量的比率；功率转换效率则是入射太阳能转化为电能的百分比。
• 太阳能到电化学能转换指标：有开路电压（VOC）、太阳能到化学转换效率（ηSTC）、光捕获效率（ηLHE）、循环稳定性等。开路电压是光照下电极间的最大电位差；太阳能到化学转换效率体现太阳能转化为存储化学能的效率；光捕获效率量化光电极吸收入射光的能力；循环稳定性用于评估器件的长期性能。
• 电化学能到电能转换指标：包含比容量（mA?h?g^?1）、比电容（F?g^?1）、能量密度（W?h?kg^?1或 W?h?L^?1）、充放电速率（C-rate）、库仑效率（CE）、电池能量效率（ηB）、自放电率等。这些指标从不同角度衡量电池的能量存储和转换能力。
• 综合性能指标：例如整体太阳能到输出电效率（SOEE或η）、光充电速率、光照下容量增强（CEI）、节能效率（ESE）等。整体太阳能到输出电效率反映太阳能转化为可用电能的整体效率；光充电速率体现器件在光照下的充电速度；光照下容量增强量化光照对比容量的提升；节能效率表示因太阳能贡献而减少的充电所需输入电能。

文献中报道的指标修订

• 基于存储能量光电极的系统：此类系统中，光电极兼具光捕获和能量存储的双重功能。早期研究多将光电极用作能嵌入锂离子的阳极，近年来则更多地将其用作电池阴极。不同系统的性能指标各异，如基于 Li⁺的 SEES 系统，部分研究报道了光照下的电压变化和光电荷；而在其他系统中，如 Li–O₂、Li–I₂、Li–S 电池以及基于 Zn²⁺的光电池和电容器，也有相应的性能指标报道。
• 包含光伏电池所有元件的系统：该部分讨论了基于不同光伏技术（如 DSSCs、有机太阳能电池、硅太阳能电池、钙钛矿太阳能电池）的 SEES 系统。DSSC - 基于的 SEES 系统从早期的 2 - 电极发展到 3 - 电极设计，性能逐步提升。有机太阳能电池、硅太阳能电池和钙钛矿太阳能电池在 SEES 系统中的应用也各有特点，不同配置下的系统性能指标有所不同。
• 基于氧化还原液流电池（RFB）的 SEES 系统：RFB 的特点是在电解液中使用两个氧化还原对，可通过选择合适的氧化还原对来优化系统性能。这类系统的关键性能指标包括Voc、容量和SOEE等，目前基于 RFB 的 SEES 系统通常能实现较高的SOEE值。

挑战与展望

集成光伏能量收集与电化学存储技术前景广阔，但仍处于早期阶段。基于静电双层存储（如超级电容器）或氧化还原液流电池的系统性能通常优于基于电化学存储（如锂离子电池）的系统。超级电容器功率高但能量密度低，适用于可穿戴设备等；氧化还原液流电池适用于大规模储能，但便携性受限。

为推进基于电池的 SEES 发展，可采用开发光电极或使用光伏电池驱动储能系统两种策略。同时，为简化 SEES 研究的解读，建议采用标准化的电池标记系统、统一报告SOEE、明确计算公式、标准化测量电流。此外，稳定性也是 SEES 面临的关键挑战，包括电荷保留和循环寿命等方面。尽管存在诸多挑战，但 SEES 在降低成本、实现可持续性和能源分散化方面具有巨大潜力，有望减少对电网的依赖，提高偏远地区的能源可及性。