新型光伏-锂离子电池单组件，产能-储能相结合，在便携式电子设备领域应用潜力巨大
近日，韩国蔚山科技大学（UNIST）发表一种新型电池充电技术，基于高硅太阳能电池和锂离子电池（LIB）的单组件，为便携式电子设备充电，可在太阳光和室内光下工作，甚至可在无光环境下为电子设备充电。
背景
当前的电子设备供能系统既要有高性能的产能装置，如太阳能光伏电池、燃料电池及其它可再生能源设备，又要求有良好的储能装置，如锂离子电池、电容器等。目前，产能和储能技术发展都很迅速，但二者单打独斗并不能解决供能系统功率密度低和为移动设备持续供电等问题，因此二者的结合成为重要解决思路。
实现原理
该工作中，UNIST大学能源与化学工程专业的Sang-Young Lee教授和Kwanyoung Seo教授研究出一种新型单片集成、便携式光伏电池系统（称为“SiPV-LIB”），该系统基于小型晶体硅光伏电池（c-Si PV）和印刷固态锂离子电池（LIB），采用薄膜印刷技术将固态LIB直接印刷在高c-Si PV模块上。
图 单片集成SiPV-LIB原理图以及双极型LIB电化学性能
（a）具有单片串联结构的SiPV-LIB的前部数码照片，插图显示了SiPV-LIB的背面数码照片
（b）硅基光伏-锂离子电池在太阳光照下的内部结构及工作原理示意图
（c）在c-SiPV模板上印刷固态双电极LIB过程的示意图
（d）2层双电极LIB和（e）双电极LIB与c-Si PV模板之间的无缝界面 的横截面SEM图像
（f）1层（灰色曲线）和2层（蓝色曲线）LIB的恒流充放电曲线
（g）以SiPV–LIB设备和裸露双电极LIB作为时间函数的OCV曲线
（h）以SiPV–LIB设备中双电极LIB作为循环次数函数的恒流充放电曲线，充放电电流密度均为1.0C
图 高电压致密c-Si PV模板的组装过程
（a）在使用紫外可愈合聚合物及胶粘带上组装可自由移动的c-Si PV模板的示意图
（b）致密c-Si PV模板的数码照片（后部），显示了串联的25个太阳能电池
（c）图b中红色区域的光学显微图像显示了通过热沉积铝薄膜形成的互联太阳能电池
（d）以致密c-Si PV模板的电压（黑色线）和功率（蓝色线）作为微型电池数目的函数的曲线
本研究中，研究人员通过串联打印技术在小型晶体硅光伏电池的铝电极上直接组装了具有两极结构的固体锂离子电池，使得产能器件和储能器件在结构、电气上能无缝连接。
Seo教授及其团队通过设计背面电极型太阳能电池方式成功实现无损c-Si光伏组件。采用单结太阳能电池制造太阳能电池模块可能导致能量损失，而通过背面电极形式设计能够防止这种能量损失。该团队还使用小型太阳能电池阵列组成单个Si衬底简化了制造工艺。
性能指标
研究团队介绍，这种单组件PV-LIB器件表现出了优异的光电化学性能和设计紧凑型，远远超出传统光伏或锂离子电池，可实现：快速、低光照强度、高温光伏充电；光电转换/存储率达到7.61%；长期循环性能；光照下以28C的大电流密度持续放电性能。阳光照射环境下，SiPV-LIB能够在2分钟内充满电。即使在60℃高温或是8 mWcm-2极低光照强度（相当于昏暗的客厅强度）下，也能看出SiPV-LIB表面的可在充电电能存储行为。
试验验证
Lee教授及其团队将该电池用于多个便携式电子设备检验其实用性。（1）该团队制造了一个单片集成智能卡，将该SiPV-LIB器件嵌入到预先剪裁好的卡片内。在采用商用银笔在卡片背面绘制电路，使SiPV-LIB与LED灯相连。（2）将SiPV-LIB与智能手机、MP3播放器及潜在应用设备相连，在阳光照射环境下探索其作为辅助便携式电源应用。
研究意义
Lee表示，SiPV-LIB器件解决了电池的能量密度问题和太阳能电池能量存储问题。更重要的是，该电池在直接光照下具有高功率和能量密度，有望用于太阳能供电的能量转换/储存系统，为电动汽车和便携式电子设备供电，在可再充电移动电源领域具有巨大潜力。
该研究开启了发展单组件、光伏可充电、高性能便携式电池新路径，将在未来无处不在的电子时代发挥关键作用。
资金来源
该工作由韩国科学、ICT与未来规划部（MSIP）资助的韩国研究基金会（NRF）资助，具体通过基础研究项目和可穿戴平台材料技术中心支持。该研究还受到了韩国能源研究所（KIER）发展项目的支持。
参考文献
Energy Environ. Sci., 2017; 10 (4): 931 DOI: 10.1039/C6EE03266D