CdTe量子点增强PVP-LiClO4凝胶聚合物电解质在简易光超级电容器中的应用与性能研究

《Journal of Energy Storage》：PVP-LiClO 4: CdTe quantum dots gel polymer electrolyte as the key element for simplified photosupercapacitor devices

本研究针对固态/凝胶电解质离子电导率低、光响应弱的问题，开发了CdTe量子点填充的PVP-LiClO4凝胶聚合物纳米复合材料（GPNCs）。通过调控纳米填料浓度（0–9.0 wt%），系统分析了材料形貌、光学带隙（Egd从4.92 eV降至4.64 eV）及介电性能的变化。结果表明，CdTe QDs的引入显著提升电解质在黑暗条件下的离子电导率，并在光照下通过载流子重组实现锂离子限制。将其与BiVO4光阳极和PEDOT:PSS阴极组装成光超级电容器（PSC），太阳能电池效率从0.0075%提升至0.0307%，整体光电容效率从0.028%增至0.047%，为低功耗物联网设备能源自主化提供了新思路。

　　

随着物联网（IoT）和低功耗电子设备的快速发展，开发能够同时实现能量收集与存储的集成化器件成为能源领域的研究热点。光超级电容器（Photosupercapacitor, PSC）作为一种新兴技术，将太阳能电池的能量转换功能与超级电容器的快速储能特性结合于单一器件中，尤其适用于室内环境下的微瓦级至毫瓦级能量供给。然而，传统固态或凝胶聚合物电解质虽具有稳定性高、易加工等优点，但其离子电导率普遍较低（10^?7–10^?5S·cm^?1），严重限制了实际应用。此外，电解质在光照下的载流子行为调控及其与电极材料的能级匹配仍是实现高效PSC的关键挑战。

为突破上述瓶颈，西班牙马拉加大学的研究团队在《Journal of Energy Storage》上发表论文，聚焦于聚维酮（PVP）基凝胶聚合物电解质的功能化改性。通过引入硫化镉量子点（CdTe QDs）作为纳米填料，系统研究了其对电解质结构、光学及电化学性能的影响，并进一步构建了以钒酸铋（BiVO₄）为光阳极、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）为阴极的简化PSC器件，实现了能量转换与存储性能的协同提升。

本研究主要采用以下关键技术方法：首先通过水相合成法制备MSA（巯基琥珀酸）包覆的CdTe QDs，并利用刮刀涂布技术将不同质量分数（0–9.0 wt%）的QDs掺入PVP-LiClO₄乙醇溶液，形成自支撑复合薄膜。采用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）和光致发光光谱（PL）对电解质的形貌、化学结构和光学特性进行表征。通过宽频介电谱（BDS）和阻抗谱（EIS）分析电解质的电导率、介电常数及界面行为。此外，利用喷雾热解技术制备BiVO₄和PEDOT:PSS电极，并通过循环伏安（CV）、恒电流充放电（GCD）和莫特-肖特基（Mott-Schottky）测试评估电极及器件的电化学性能。

3.1 电解质表征

3.1.1 形貌与结构表征

SEM结果显示，纯PVP-LiClO₄薄膜呈现棒状堆叠结构，而添加9.0 wt% CdTe QDs的样品表面更粗糙且分布均匀，EDS图谱证实Cd元素成功掺入聚合物基质。

3.1.2 FTIR分析

FTIR光谱中，纯PVP的羰基伸缩振动峰（C=O）位于1641 cm^?1，加入LiClO₄后偏移至1621 cm^?1，表明Li⁺与羰基氧发生配位。CdTe QDs的引入进一步改变C=O峰形，证实QDs与聚合物间通过羰基相互作用。

3.1.3 光学性能

UV-Vis吸收谱显示，CdTe QDs的掺入使聚合物直接带隙（E_g^d）从4.92 eV降至4.64 eV，间接带隙（E_gⁱ）从5.20 eV降至5.12 eV，折射率相应升高。PL光谱中，560 nm处的发射峰强度随QDs含量增加而增强，说明QDs有效调控了聚合物的电子结构。

3.1.4 复数阻抗分析

EIS测试表明，在黑暗条件下，随着QDs含量增加，电解质的整体电阻降低，离子电导率提升；而在紫外光照下，含QDs的电解质出现阻塞效应，因光生载流子与聚合物空穴重组导致Li⁺离子受限，使其转变为绝缘态。

3.1.5 电导率与介电性能

交流电导率（σ_ac）和介电常数（ε′）均随QDs含量增加而显著升高。9.0 wt%样品的ε′从纯体系的10,808增至133,076，归因于Maxwell-Wagner-Sillars界面极化效应。

3.2 电极表征

3.2.1 BiVO₄光阳极的光电化学性能

在三电极体系中，BiVO₄电极在光照下表现出显著增强的电流密度（0.597 mA·cm^?2），电容值从黑暗条件下的0.55 mF·cm^?2提升至15.9 mF·cm^?2。稳定性测试显示，光照下电极经过6000次循环后电容保持率高达507.55%，归因于光生电子-空穴对持续激活电极表面。

3.3 器件电化学表征

3.3.1 超级电容器性能

以BiVO₄和PEDOT:PSS为电极、GPNC为电解质的对称电容器在光照下最高面积电容达7.10 mF·cm^?2（2.33 F·g^?1），能量密度为1986 mWh·kg^?1，显著优于未填充QDs的器件。

3.3.2 太阳能电池性能

器件的太阳能转换效率（η_cell）随CdTe QDs的引入从0.0075%提升至0.0307%，开路电压（V_oc）从0.556 V增至0.743 V，短路电流密度（I_sc）提高约3.8倍。

3.3.3 光超级电容器性能

在PSC模式下，含9.0 wt% QDs的器件在0.2 sun光照下的整体效率（η_overall）达0.047%，存储效率（η_storage）为34.49%。能带结构分析表明，CdTe QDs与BiVO₄的能级匹配促进了光生电子注入，而PVP基电解质有效抑制了载流子复合。

结论与展望

本研究通过将CdTe QDs引入PVP-LiClO₄凝胶电解质，成功优化了其离子传输、光响应及介电性能。所构建的PSC器件在能量转换与存储方面表现出协同增强效应，为开发适用于低功耗电子设备的一体化能源系统提供了新策略。未来通过进一步调控纳米填料种类与电极界面工程，有望实现更高效率的自主供能器件。