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华侨大学吴季怀团队EES最新成果：光电容器焦耳效率超86%

邃瞳科学云

2022-09-04

导读：本文报道了使用电压可调的杂化超级电容器作为三端光电容器的储能单元，有效协调光伏单元与储能单元间的电流、电压、功率和能量匹配，集成器件获得15.49%的整体效率，86.01%的焦耳效率和高达98.28%

集成可调压杂化超级电容器和硅太阳能电池的光电容器产生86%的焦耳效率

第一作者：宋泽宇

通讯作者：吴季怀*，Mohammad Khaja Nazeeruddin *，黄维*

单位：华侨大学，洛桑联邦理工学院，西北工业大学，南京工业大学

研究背景

太阳能作为一种清洁、开放、无尽的可持续能源，是实现“碳达峰、碳中和”的重要途径，但同时具有波动性、间歇性和不稳定的特点。因此，太阳能的可持续利用需要高效能量转换和低损耗储能技术的互补结合。因此将太阳能收集和存储功能集于单一器件是一个前沿研究方向，它促进了可再生能源的可持续运行，提高了能源利用效率，符合当前电子设备多功能和小型化的趋势。尽管已经付出大量努力，但由于集成器件的多功能性和结构复杂性，尤其是能量收集和存储单元的不匹配，导致能量较大的能量损失，太阳能收获储存集成器（SHSI）的发展面临着提高效率和稳定性的严峻挑战。

文章简介

近日，来自华侨大学的吴季怀教授与洛桑联邦理工学院的Mohammad Khaja Nazeeruddin教授以及西北工业大学的黄维教授合作，在国际知名期刊Energy & Environmental Science（影响因子高达39.714）上发表题为“Photocapacitor integrating voltage-adjustable hybrid supercapacitor and silicon solar cell generating a Joule efficiency of 86%”的文章。该文章报道了使用电压可调的杂化超级电容器（VAHSC）作为三端光电容器的储能单元，有效协调光伏单元与储能单元间的电流、电压、功率和能量匹配，集成器件获得15.49%的整体效率，86.01%的焦耳效率和高达98.28%的存储效率，同时具有出色的充放电循环稳定性。效率与稳定性上的巨大飞跃标志着太阳能收集储存器件朝实际应用迈出了实质性的一步。

图1. 光电容器（IPC）的原理图和循环性能图。A. 由硅太阳能电池（SSC）和可调电压杂化超级电容器（VAHSC）组成IPC。B. IPC实物图。C. IPC在充放电800次循环中的电量保持率和效率变化曲线图。

本文要点

要点一：具有核壳结构的镍基电极

作为储能单元，超级电容器具有快速充放电、长循环寿命和电极材料来源广泛的优势。电极材料在超级电容器性能中起着至关重要的作用。其中直接生长在泡沫镍上的镍基电极具有合成容易、理论容量大、比表面积大、电化学性能好等优点。研究人员采用简便的水热法直接在泡沫镍上合成了具有核壳结构的碳酸氢镍电极（NHC@N）。实验结果表明，反应时间为4小时电极材料具有最佳电化学性能。在1 A/g的电流密度下，NHC@N电极具有98%的库伦效率和412.1C/g的比容量，接触阻抗Rs和界面电子转移阻抗Rct分别为0.73Ω和7.63Ω，较低的阻抗有利于储能单元的载流子传输。

要点二：可调电压的杂化超级电容器（VAHSC）

工作电压对储能单元乃至集成器件的效率和能量密度具有至关重要的影响。传统上，工作电压的改变是在保持正、负极固有容量相等的基础上，通过调整电解质或正负电极材料来实现的。该文打破常规，巧妙地设计了一对固有容量不同的电极，组装杂化型超级电容器（HSC）。通过调整正极与负极的固有容量比，获得窗口电压可调的杂化超级电容器（VAHSC）。进一步，通过对电极预充电，有效地调整了储能单元的工作窗口及与收集单元的匹配。

要点三：集成光电容器（IPC）

使用两节具有合适面积大小的硅太阳能电池串联作为光伏单元，使用负极容量为正极容量6倍的VAHSC作为储能单元，充分考虑了两功能单元间的电流、电压、功率匹配，集成了三端叠层结构的集成光电容器（IPC）。实验对比了IPC在不同工作电压下的光充电/暗放电性能。结果表明，随着IPC工作电压的不断升高，由于电压失配引起的存储损失大幅减少，焦耳效率显著提升。当IPC的工作电压在光伏单元的最大功率点电压附近时，IPC在整个光充电周期内实现高达98.28%的存储效率、86.01%的焦耳效率以及15.49%的整体效率。同时令人振奋的是，IPC完成了800次循环的光充电/暗放电测试，显示出优异的容量保持率以及稳定的存储效率、焦耳效率和整体效率。得益于VAHSC的优异特性，实现了光伏单元与储能单元的完美桥接和匹配，性能远超以往的相关报道。

要点四：焦耳效率（IPC）

由于太阳能收集存储集成器（SHSI）的研究还处于初期阶段，对器件光电转化过程和效率的理解和表达也不统一。本文对此进行了梳理并定义焦耳效率。实际上，SHSI的光电转换经历了太阳能转变为电能输入，电能转变为化学能存储、化学能转变为电能输出三个过程，相应的有光-电转换效率(η_L-E)或光伏效率(η_PV)、电-化学转换效率(η_E-C)或存储效率(η_storage)、化学-电转换效率(η_C-E)或焦耳效率(η_Joule)三个单一效率，包含光-电-化学两个过程的转换存储效率(η_L-E-C)，和包含光-电-化学-电三个过程的整体效率(η_L-E-C-E或η_overall)。值得一提的是，储能器件的常用指标库伦效率是指器件的输出电量与输入电量之比（库伦是电量单位）；因此，我们有理由定义器件的输出能量与输入能量之比为焦耳效率（焦耳是能量单位）。对本文而言，焦耳效率是输出的能量与存储的化学能之比。这是焦耳效率的首次定义。

文章链接

Photocapacitor integrating voltage-adjustable hybrid supercapacitor and silicon solar cell generating a Joule efficiency of 86% https://doi.org/10.1039/D2EE01744J

通讯作者简介

吴季怀：华侨大学化学与材料学教授，华侨大学前副校长（2004~2019）。主要研究方向为新型太阳能电池、新型储能器件，高吸水聚合物，光催化纳米材料，特别是在染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。发表了550多篇SCI文章，H因子为67。入选RSC Top 1%中国高被引作者，Web of Science全球高被引科学家，2014-2021连续入选Elsevier中国高被引学者。

第一作者介绍

宋泽宇：2016年获得华北水利电力大学学士学位；2022年获得华侨大学化学博士学位，师从吴季怀教授和林建明教授。主要从事光电容器、超级电容器和钙钛矿太阳能电池等能量收集与储存方向的相关工作。此前已有光电容器方向的工作发表在Nano Energy（DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107501）。

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