综述：紧凑型光存储系统：用于集成能量收集和存储的新材料与设计

《Solar RRL》：Compact Photostorage Systems: New Materials and Designs for Integrated Energy Harvesting and Storage

这篇综述系统评述了紧凑型光存储系统（包括光电池和光电容）的最新进展，聚焦于集光能收集与存储功能于一体的单结构自充电设备。文章重点探讨了二端（2T）单片构型，分析了过渡金属氧化物、硫化物、无铅钙钛矿等无机材料，以及导电聚合物、染料和碳纳米结构等有机材料在提升光生电荷产生、迁移和保留方面的作用，并强调了凝胶/固态电解质在提高柔性、安全性和长期稳定性方面的创新。尽管面临电荷复合、能量密度优化和性能评估标准化等挑战，该综述为下一代自供电光存储系统的合理设计指明了方向，有望支撑便携式、可穿戴和可持续能源技术的未来发展。

　　

紧凑型光存储系统代表了能源技术领域一个蓬勃发展的前沿方向，旨在将太阳能收集与电能存储功能整合在单个微型化设备中。这类设备主要包括光电池（Photobatteries, PBs）和光电容（Photocapacitors, PCs，也称光超级电容器 PSCs），它们通过克服传统太阳能电池与蓄电池外部连接导致的能量损失和体积庞大问题，为便携式、可穿戴电子设备以及物联网（IoT）提供了极具潜力的自供电解决方案。

引言

全球向分散式和自持续能源系统的转型，推动了对能够在小尺度下高效捕获、转换和存储可再生能源技术的探索。光存储设备将光收集和能量存储功能合二为一，直接将太阳光转化为存储的电能，从而减少了能量损耗并简化了器件结构。根据存储机制的不同，光电池（PBs）通过光生电子和空穴驱动电极上的氧化还原反应来存储能量，具有高能量密度但充放电动力学较慢；而光电容（PCs/PSCs）主要通过电极/电解质界面的静电作用存储电荷，具有高功率密度、快速响应和长循环寿命的特点，但能量密度相对较低。

从器件构型角度看，主要有四端（4T）、三端（3T）和二端（2T）三种设计。其中，二端（2T）单片设计实现了最紧凑、最高效的集成，将两种功能结合在一对光活性电极上，显著降低了能量耗散，因此成为柔性、可穿戴和透明自充电功率单元研究的焦点。

理论基础与器件设计

能量存储器件主要分为电池和电容器（或超级电容器）。传统电容器以静电方式存储能量，功率密度高但能量密度有限；电池通过化学方式存储能量，能量密度高但功率密度较低。超级电容器结合了多种优点，包括与传统电容器相当的功率密度、短充电时间和优异的循环稳定性，同时能量密度高于传统电容器。

器件构型对整体性能至关重要。4T构型中能量转换单元和存储单元通过外部电路连接，灵活性高但界面能量损失大、结构复杂。3T构型中转换和存储单元共享一个公共电极，是半集成系统。2T构型则是最紧凑的全集成设计，消除了能量转换和存储之间的界限，形成了真正的集成式光可充电系统，尽管其内部电阻较高和界面工程复杂等挑战仍需克服。

光电容（PCs/PSCs）和光电池（PBs）的工作机制存在根本差异。光电容的工作过程包括光转换、电荷载流子迁移、电荷在电容性电极处的积累以及存储能量的释放。光电池虽然初始的光生电荷分离过程相似，但其能量存储依赖于法拉第氧化还原反应而非静电积累。

关键材料进展

材料的创新是推动光存储设备发展的核心动力。

无机材料

过渡金属氧化物（TMOs）如TiO₂、WO₃、V₂O₅等，因其可调的能带结构、高稳定性和半导体特性而被广泛研究。例如，TiO₂是染料敏化太阳能电池（DSSCs）中常用的电子传导和介孔组分，并已成功集成到光可充电器件中。WO₃作为光阳极应用在2T构型中，实现了高达6%的光电转换效率（PCE）。金属硫化物（MSs）如NiCo₂S₄和MoS₂则表现出增强的氧化还原活性和电荷转移效率。无铅卤化物钙钛矿（如Cs₂NaBiI₆、Cu₃Bi₂I₉）作为环境友好型替代材料，具有显著的光吸收和电荷传输特性。复合材料或异质结工程，例如将TMOs与MSs或碳材料结合，通常能改善电荷分离、减少复合并增强比电容（C_s）。

有机材料

有机材料以其柔性、轻量化和可调的光电特性，在紧凑型光存储系统中扮演着关键角色。

碳纳米材料如活性炭（AC）、碳纳米管（CNTs）和石墨烯及其衍生物（GO, rGO）是超级电容器中常用的电极材料，具有高比表面积和导电性。石墨烯量子点（GQDs）也被用于构建平面微型超级电容器。染料和光敏有机分子（如钌络合物N719）是DSSCs技术的核心，作为敏化剂用于光转换单元。导电聚合物如聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）和PEDOT:PSS，因其固有的导电性和赝电容行为，被广泛用作电荷存储电极或空穴传输层，显著提高了器件的比电容和柔性。

电解质工程

电解质对于实现高效的电荷转移至关重要。从液态电解质向凝胶聚合物或固态电解质的转变，增强了机械稳定性、安全性和与柔性基底的兼容性。创新的光响应电解质，如基于2-硝基苯甲醛的体系，甚至可以参与光驱动的电荷存储过程。水性电解质环境友好，但工作电压受限；有机电解质或离子液体通常可提供更优异的电荷传输特性，但可能需要考虑毒性和稳定性问题。

性能评估与挑战

性能评估参数包括光电转换效率（PCE）、比电容（C_s）、能量密度（E_d）、功率密度（P_d）和循环稳定性（C_R）。目前缺乏标准化的测试协议是直接比较不同系统的主要障碍。对于2T器件，电荷复合、界面电阻和能级失配等问题仍然限制着电荷传输效率。实现高性能、耐用的器件需要精心的材料选择、界面设计和系统优化。

结论与展望

二端（2T）构型因其高集成度和在柔性、可穿戴应用中的潜力，被视为最具发展前景的技术路径。未来的研究将致力于开发新型多功能材料（特别是无铅、地壳含量丰富的材料），优化器件界面，采用原位表征技术深入理解工作机制，并建立统一的性能评估标准。通过材料科学、器件物理和规模化制造的多学科融合，紧凑型光存储系统有望为下一代自主、柔性、透明的电子技术提供可靠、高效的自供电解决方案。

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