合并太阳能电池和液体电池的技术说明

　　集成太阳能液流电池的示意图。太阳能电池被连接到可以储存电力以备后用的化学药品罐中。

　　威斯康星大学麦迪逊分校的化学家及其合作者创建了一个高效且持久的太阳能液流电池，该电池可通过一种设备从太阳产生，存储和重新输送可再生电力。

　　该新设备由硅太阳能电池和先进的太阳能材料制成，这些材料与经过优化设计的化学成分集成在一起。威斯康星大学麦迪逊分校化学系的Song Jin实验室制造的太阳能液流电池，效率再创新高，达到20％。这是当今使用的大多数商用硅太阳能电池的最佳选择，并且比以前由Jin实验室开发的太阳能液流电池的记录保持器高40％。

　　尽管太阳能液流电池距商业化尚有数年之遥，但它们提供了为照明，手机或偏远地区家庭的其他基本用途提供可靠的发电和存储的潜力。它们将将太阳光转化为电能的光伏电池的优势与液流电池的优势相结合，液流电池使用可以反应产生电能并由太阳能电池充电的化学药品罐

　　研究人员于 7月13日在《自然材料》杂志上发表了他们的工作。威斯康星大学麦迪逊分校的研究生李文杰是该研究的主要作者。金实验室与来自新南威尔士大学和澳大利亚悉尼大学，犹他州立大学，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学和香港城市大学的研究人员合作。

　　由于太阳并不总是发光，因此存储对于实用的太阳能至关重要，特别是在阳光充足的偏远和农村地区，例如在美国，澳大利亚，沙特阿拉伯和非洲的遮阳带地区。许多太阳能家用系统使用铅酸或锂离子电池进行电能存储。液流电池使用大容量的液体化学品储罐来存储能量，在大规模生产时可能会便宜一些，并且是与太阳能电池合并的理想存储选择。

　　尽管太阳能液流电池距商业化尚有数年之遥，但它们提供了为照明，手机或偏远地区家庭的其他基本用途提供可靠的发电和存储的潜力。

　　Jin实验室花了多年的时间研究和改进集成的太阳能液流电池系统。在2018年，它开发了一种使用三层高效但昂贵的太阳能材料制成的太阳能液流电池，整体效率达到14％。但是，腐蚀大大缩短了设备的使用寿命。

　　在他们的最新报告中，研究人员转向了一种越来越流行的光伏电池材料，即卤化钙钛矿。这些特殊材料的太阳能转换效率在10年中从百分之几急剧增加到百分之25以上。最近的研究表明，卤化物钙钛矿还可以通过捕获来自太阳的更多能量来提高传统硅太阳能电池的效率。

　　具有有机-无机卤化物钙钛矿顶层和硅底层的钙钛矿-硅串联太阳能电池的示意图。

　　这种新型的高效钙钛矿硅太阳能电池正在走向商业化。然而，硅仍然是制造能够承受液流电池中化学物质的稳定设备的关键。

　　“我们设计太阳能电池的动机是将这两种材料结合在一起，因此我们既具有高效率又具有良好的稳定性，” Li说。

　　澳大利亚的Anita Ho-Baillie教授和博士后郑江慧（Jianghui Zheng）制作了钙钛矿型硅太阳能电池，并在硅表面上附加了一层保护层。他们将太阳能电池运到威斯康星州进行测试。

　　为了预测液流电池应运行的理想电压，Li开发了一种新的理论建模方法。通过建模，他可以根据太阳能电池的特性在液流电池中选择将在理想电压下运行的一对化学物质，从而最大程度地提高效率。这些化学物质是有机化合物，而不是传统的液流电池中的昂贵金属，它们溶解在食用盐的良性水溶液中，而不是强酸。

　　犹他州立大学化学教授T. Leo Liu和他的研究生提供了关键的匹配化学品。得益于太阳能电池和液流电池之间的良好匹配，胜出的设备可在数百小时和数百次充放电循环中保持高效率，同时保留其大部分容量。该寿命是早期设备的几倍。总体而言，新系统的使用寿命长且效率高达20％，使其成为迄今为止最好的太阳能液流电池装置。

　　Jin表示：“您随时可以提高20％的效率。” “您可以在白天立即使用太阳能，获取20％的电量，或者您可以在晚上从存储中使用太阳能，获取20％的电量。”

　　在此类设备成为实用的可再生能源解决方案之前，仍有大量研究要做。在研究实验室中增加当前小型设备的大小和规模是一项挑战。即使研究人员制造了相对较长时间的电池，但现实世界中的应用仍需要更高的耐用性。Jin实验室在继续开发效率更高的太阳能液流电池的同时，还进行了实际的权衡以降低设备成本。

　　这项研究有一天可能会产生一种新的方式来收集，储存和利用太阳的能量。

　　“如果我们能够做到这一点，我们最终的目标是瞄准太阳能家用系统，”李说。“没有电网的人可以使用此设备来获得可靠的电力。”