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柔性太阳能充电储能集成系统
作者：胡宇翔，丁珊珊，陈鹏，Trent Seaby, 侯经纬，王连洲*
单位：昆士兰大学（澳大利亚）
研究背景
对于目前的能源紧缺以及全球环境恶化等问题，可再生能源生成/储存集成系统是最有前景的解决方案之一。由于可再生太阳能极为丰富，人们对于光伏太阳能电池的开发表现出了极大的兴趣。但是由于太阳光自身的强度不稳定性以及间歇性，促使研究人员对集光伏能源生成与储存于一体的集成系统的进一步探索，这极大地促进了太阳能充电储能系统（solar-rechargeable energy system, SESs）的发展。
如今，该集成系统已被广泛研究并应用于智能电网、房屋能源供给、通勤电动车辆、家用电子产品以及便携式可穿戴电子设备中。在设计新一代可穿戴便携式能源设备尤其是太阳能充电储能系统时，柔韧性以及可便携性是必须考虑的两大关键指标。与此同时传统的晶体硅太阳能电池由于本身刚性和成本等因素不利于大规模的柔性集成器件的生产和推广。
因此，一些诸如氢化无定形硅太阳能电池（a-Si:H）、染料敏化太阳能电池（DSSCs）、有机光伏电池（OSCs）以及钙钛矿太阳能电池（PSCs）等新兴薄膜光伏技术应运而出，并且在柔性基地上也得到了很好的应用。
相比于传统的刚性器件，柔性薄膜太阳能电池因低温制备以及易实现的面板安装技术而大大降低了成本。此外，将柔性的薄膜光伏系统与储能系统结合起来不仅可以实现便携可穿戴设备的无线充电，还可以极大地提高他们的工作时长实现更为广泛、精细的应用。
文章简介
基于近些年课题组在太阳能电池、快充型储能电池和集成型太阳能充电电池领域做出的新的探索，澳大利亚昆士兰大学王连洲教授课题组在国际顶级期刊Energy Storage Materials (影响因子：16.28) 上发表题为“Flexible solar-rechargeable energy system”的综述。
在该篇综述中，笔者通过总结当前基于一系列不同光伏系统集成的柔性太阳能充电储能系统的发展，旨在揭示目前柔性集成太阳能充电储能系统技术的局限性。随后，笔者提出和细化了决定柔性太阳能充电储能系统关键参数和基础准则，诸如能源效率，光伏系统与储能系统的匹配性，柔性检测等问题。最后，笔者归纳了目前柔性太阳能充电储能系统的挑战并提出了多项未来发展方向。包括人体安全系数、稳定性匹配、可拆卸/替换性等。
要点解析
在本篇综述中，笔者讨论了不同设计结构的柔性器件，包括平面状以及纤维状器件结构。无定形硅因其高吸收、大面积以及可进行长时间化学气相沉积制备而广受关注。考虑到化学气相沉积的反应温度是200℃，选择合适的高温耐受性塑料基底或金属箔基底十分重要。虽然无定形硅自身的特性保证了器件的柔韧性，但是所制备出器件效率却远低于刚性硅太阳能电池。因此，为了进一步提高柔性器件的效率，多结器件的构建是一个良选。
现如今，单结有机太阳能电池的光电转换效率已达到15%以上，但这远不足以投入实际规模化应用中。柔性有机太阳能电池具有很好的机械稳定性，为了进一步提升它的光电转换效率，除了选择具有高电荷转移效率的给体和受体材料，底部透明电极以及电极缓冲层材料的选择也应予以重视。因此，在保证高光透过性以及弯折稳定性的前提下，柔性有机太阳能电池应尽可能减小电荷传输电阻，提高其导电性，最终实现效率与稳定性的共赢。虽然低廉的生产成本是柔性染料太阳能电池的重要优势之一，但相对较低的效率也因此限制了他们的发展。选择合适的柔性电极有利于提高电荷传输以及颗粒间的相互作用，减小弯折时的阻力。
目前大多数关于染料敏化太阳能电池的弯折性能测试都应用于纤维状器件，而平面型器件因为其挥发性电解质的使用所造成的内部不稳定性限制了它在可穿戴式设备上的应用。因此，发展可靠有效的封装技术对于柔性染料敏化太阳能电池的推广应用更为关键。近些年来，钙钛矿太阳能电池因其相对较低的生产成本以及前驱体材料的易得性而受到了研究者们的青睐。低温、温和的制备过程更使得他们在柔性太阳能电池的大规模制备中具有很大的应用前景。
此外，相较于柔性的染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池，柔性钙钛矿太阳能电池的光电转换效率以及弯折稳定性更好。虽然体相钙钛矿薄膜的稳定性问题还有待解决，钙钛矿量子点的制备可以很好的弥补这一缺陷。
本课题组也通过复合钙钛矿量子点太阳能电池的制备验证了器件稳定性的增强，并于2018年底创造了目前新型量子点太阳能电池效率的最高世界记录，认证转换效率达16.6%。
而对于柔性储能体系的研究，虽然可以沿用当前柔性电池和超级电容器体系的发展，但是也是亟需特制化的优化。例如课题组在之前研究中着重研究的太阳能电池与储能器件的匹配度（Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1900872），通过优化两个系统来实现太阳能电池在最高转化效率的电压下对储能器件进行光充电，实现最高全转化效率。
笔者还逐一总结在整个集成系统中各个部分的转化效率和优化方式。针对探究较为广泛的柔性电容器体系，笔者认为提高工作电压和稳定匹配充电区间是较为关键的发展难点。
图1.
虽然研究工作者们对柔性太阳能充电储能系统对的研究工作已开展了近数十年，但这一领域仍处于初级阶段且还有诸多关键问题亟待解决。
首先，由于柔性光伏器件的基准性能测试相比于传统的刚性器件具有很大的不同，所以在本篇综述中笔者主要关注于柔性薄膜光伏器件（a-Si:H，DSSCs，OSC以及PSCs）的发展以及他们各自所面临的挑战。对于这些柔性光伏器件来说，位于电荷传输层与光吸收半导体层界面处易形成的非辐射重合会造成整体器件性能以及效率的损失。
其次，塑料基底虽然是柔性光伏器件的不二良选，但是它的高温易降解以及ITO镀层的脆弱性也为柔性光伏器件的制备带来了很多挑战。再者，要实现柔性光伏器件以及储能系统的规模化还依赖于其稳定的生产技术。
目前，太阳能充电储能系统的研究和发展尚处在早期阶段。在这个阶段，研究工作者们应主要关注低能耗的应用，简便轻薄的柔性太阳能充电储能系统是目前发展的重点。考虑到目前柔性太阳能充电储能系统所面临的这些挑战，笔者提出了以下几种可行的方案以及未来的发展方向。
（1）安全性：因为这种柔性的太阳能充电储能系统可以被广泛地应用到可穿戴式设备中，这就会涉及到人体健康的问题，因此具有低毒性、低化学物质和电泄露以及高电压保护等优势的器件应被优先考虑；
（2）考虑到使用外部电路连接光伏设备与储能系统会造成内部能量的损耗，今后可以尝试选择匹配的光伏器件与储能系统在没有外加匹配控制电路的基础上进行直接集成；
（3）避免因使用液态电解液带来的封装问题，可以考虑使用全固态集成体系；
（4）发展快速打印技术生产集成体系以促进他们的发展。
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