【引言】

能源問題是當今世界永恒的話題，它促成了電子設備、新能源汽車以及智能電網的發展。太陽能作為一種清潔可持續發展能源可以彌補電池的不足，而電池又能彌補太陽能間歇性的問題。如何將太陽能電池和儲能電池有機的結合起來？近日，來自美國南達科他州立大學的QiquanQiao（喬啟全）教授（通訊作者）等人對設計“太陽能電池－儲能電池”集成系統中遇到的問題進行了總結、討論和展望。其中對“太陽能電池－儲能電池”集成系統中三個重要的參數：能量密度、效率和穩定性分別進行一一解讀。

1．集成太陽能電池－儲能電池的必要性

當今的大眾消費者嚴重依賴能源技術及其發展。當前能源相關的三大關鍵技術為智能電子產品，電動汽車和智能電網。智能電子產品依賴于容量有限的電池，要使用有線連接頻繁地對電子器件進行充電。太陽能或光伏為電池充電供應了可能的便利，因為在戶外陽光下，太陽能的能量密度可達100mWcm－2。目前另一個欣欣向榮的市場為電動汽車行業，雖然電動汽車不生產碳排放量，但是汽車所使用的電力大部分來自礦物燃料驅動的電網。除非車輛使用的電力來自可再生能源，否則電動汽車的可持續性意義不大。另外，充電站的分布也限制了其實際應用。像光伏發電這樣的分布式發電是最合適電動汽車的充電方式。另一個前景應用是電網。可再生能源的應用正在穩步擴大，使用光伏能源的最大問題是夜間或陰天缺乏陽光，造成使用過程中的間歇性供電。這種間歇性會導致功率波動輸出，這是電網應用的關鍵問題。因此，電力公司將光伏電力集成到電網中的功率進行限制。這樣一來并未充分利用光伏發電的潛力。儲能電池可以解決這些問題，電池白天可以充電，晚上可以放電，為實現光伏發電接入電網供應了可能性。

2．傳統和先進“太陽能電池－儲能電池”系統的比較

使用太陽能電池給電池充電的傳統方法是兩個系統獨立設計（圖1A），其涉及的太陽能電池和儲能電池作為兩個獨立單元的通過電線連接。這樣的系統往往比較昂貴、笨重而且不靈活，還要比較大空間，另外外部的電線會導致電能損失。

有機的將產量和儲能合并為一個單元實現一體化設計將會有效的解決太陽能電池和電池的能量密度問題。這種設計具有小型化的特點，進而會減少成本，新增了光伏系統的實用性。盡管有很多優點，但是其在效率，容量和穩定性等方面還存在很大的挑戰。目前在該方面的研究仍處于初級階段，研究的重心重要集中在材料和裝置的設計上。

集成光伏電池系統可以通過兩種不同的配置來實現：三電極（圖1B和1C）和雙電極（圖1D）。其中三電極設計中，一個電極被用作公用電極作為光伏器件和電池之間的陰極或陽極。在雙電極配置中，正極和負極同時執行光轉換功能和儲能功能。

圖1傳統的太陽能電池和儲能電池獨立設計（A），三電極設計（B和C）和兩電極設計（D）

3．二元分離式“太陽能電池—儲能電池”的設計

本部分對前人分離式“太陽能電池—儲能電池”設計的工作進行了總結，硅太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池以及染料敏化太陽能電池都能以不同的形式與鋰離子電池相結合，其中圖2A和B顯示了四個串聯的鈣鈦礦太陽能電池對鋰離子電池充電，效率達到7．36％。本文通訊作者喬啟全團隊利用變壓器和最大功率點跟蹤實現了使用單節鈣鈦礦太陽能電池對鋰離子電池充電，其效率達到了9．36％，該項研究成果發表在AdvanceEnergyMaterials上（圖2C和D）。

圖2分離式光伏電池系統

（A，B）利用四塊鈣鈦礦太陽能電池為Li4Ti5O12／LiFePO4鋰離子電池充電

（C，D）利用單節鈣鈦礦太陽能電池在直流－直流轉換器的幫助下為Li4Ti5O12／LiCoO2鋰離子電池充電

4．一元集成式“太陽能電池—儲能電池”的設計

大多數有關一元集成式“太陽能電池—儲能電池”的設計工作集中于將太陽能電池和電容式儲能相結合而不是與電池。集成系統可分為三種類型的設計：（1）直接集成，（2）光輔助集成和（3）氧化還原液流電池集成。直接集成包括將太陽能電池和電池堆疊在一起（不包括氧化還原液流電池）。光輔助集成使用太陽能為電池充電只供應一部分的能量。氧化還原液流集成涉及使用具有太陽能充電的氧化還原液流電池。文章分別對這三種形式前人的工作進行了詳細的概括總結，圖3、4和5分別為它們的典型代表。