金松教授:效率记录！新型一体化器件实现高效同步太阳能转换和储存
研究背景：
由于太阳光的间隙特性，一个合理的太阳能利用系统不仅应该具有高效的太阳能转换装置，也应包括高性价比的大规模能量储存模块。相比于独立运行的太阳能转换和电化学能量储存装置，将分离装置功能集成在一体化器件中可以为太阳能的有效利用提供一种更紧凑且更具性价比的途径。
“光充电电池（solar rechargeable battery）”的概念最早于1976年被提出，此后，研究人员尝试过将不同的太阳能转换和电化学储能模块结合以实现同步太阳能转换和储存。在各种目前已被报道的光充电电池设计中，结合光电化学太阳能转换和液流电池的太阳能液流电池(solar flow battery) 因其高拓展性而受到广泛关注。2016年，美国威斯康星-麦迪逊大学金松教授团队报道了一种基于醌类电对和硅基光电极的有机太阳能液流电池，并实现了1.7% 的太阳能-输出电能转换效率（SOEE）。此后虽然有多个课题组报道过不同的太阳能液流电池，但其太阳能-输出电能转换效率均未能超过5%。近期，Chem杂志在线发表了金松教授团队的最新研究成果，通过结合高效率、高光压的III-V族多结太阳能电池和高电压有机液流电池实现了14.1%的太阳能-输出电能转换效率记录。
本文亮点：
该一体化太阳能液流电池利用基于GaInP/GaAs/Ge 的多结光电极进行无偏压光充电。在该过程中，被离子交换膜隔开的两个电解液室中的电对(甲基紫精/四甲基哌啶氧化物)被分别氧化和还原，形成内部电压差以储存能量。该装置还配有另外两个惰性碳毡电极，当需要电能输出时，连接这两个电极至外部用电系统便可使该装置像普通的液流电池一样放电。如果直接连接光电极和惰性电极，该装置也可以跳过充电步骤，直接将太阳能转换成电能进行输出，此原理与普通光伏电池类似。
图文解析：
图1. 太阳能液流电池的结构和工作模式示意图。图片来源：Chem
作者通过循环光充电-恒电流放电测试，证明了该装置具有良好的循环稳定性。光充电电流密度可达14.5mA/cm2, 库伦效率和电压利用效率分别达到了96.2%和96.6%。为了更深入地评估该装置的性能，作者定义了一个新的参数，并将其命名为太阳能-输出电能转换效率。通过使用如下公式：
（其中Edischarging为输出电能，E­­­illumination­为输入光能），作者计算出改装置在循环充放电测试中的太阳能-输出电能效率达到了14.1%。基于该实验结果，作者进一步研究并讨论了可行的提高该装置能量转换效率的方法。如图3所示，太阳能液流电池的效率取决于光电极和液流电池J-V曲线的交叉点。在理想条件下，该交叉点应该尽量接近光电极的的最大功率点以高效地利用光电极所产生的能量。为了达到此目的，作者提出两种可行方案，一是提高液流电池的电压；二是改变光电极结构，降低光电压以获取更大的光电流。
图2. 一体化太阳能液流电池循环充放电性能。图片来源：Chem
图3. 进一步提高太阳能液流电池效率的方法讨论示意图。图片来源：Chem
该研究为解决太阳能的有效转换、储存和再利用问题开辟了一条新的道路，并有望加速推进偏远地区的电气化进程。美国威斯康星-麦迪逊大学金松教授为该文章通讯作者，李文杰为第一作者。该研究的合作单位为沙特阿卜杜拉国王科技大学何志浩课题组。
导师介绍：
金松（Song Jin），美国威斯康辛大学麦迪逊分校化学系教授。1997年毕业于北京大学化学系获得学士学位，2002年在康奈尔大学获得博士学位，2002-2004年哈佛大学化学系Charles M. Lieber院士课题组博士后；2004至今在美国威斯康星大学麦迪逊分校化学系助理教授, 副教授, 教授。主要研究兴趣包括螺位错驱动的晶体生长、纳米结构的电化学,光电化学太阳能转化，卤素钙钛矿纳米材料，Skyrmion 自旋电子学等。迄今已经已发表180余篇论文，其中发表Science 3篇，Nature Materials 2篇, Nature Communications 4篇， J. Am. Chem. Soc.17 篇, Nano Lett. 28篇等。目前担任ACS Energy Letters 期刊编辑。
