研究背景
从化石燃料过渡到可再生能源的迫切需要刺激了尖端能源转换和存储技术的发展。光伏系统已成为解决日益增长的无碳能源需求的主要解决方案，并应用于各种技术领域。然而，太阳辐射固有的可变性和不可预测性对太阳能的广泛部署构成了重大挑战，需要高效率的能量转换和低损耗的能量储存技术。
光电电容器包括一个光伏或能量收集单元，与一个超级电容器 (SC)或能量存储单元相合。光源(太阳能或人工)的能量被光伏单元转化为电能。光产生的电荷被导入 SC单元，在那里它们被存储在超级电容器的电极上。第三代光伏技术，包括有机光伏(OPVs)，钙钛矿太阳能电池(PSCs)，染料敏化太阳能电池(DSCs)和量子点太阳能电池(ODSCs)，由于其易于制造，与各种结构的兼容性和成本效益，是开发 PC的首选。这些技术由光活性材料或工作电极 (WE)、氧化还原电解质或空穴传输材料(HTM)和对电极(CE)组成。超级电容器单元由两个含有能够储存电荷的电活性材料的电极组成，作为电双层 (EDL)，一个膜分离器和一个离子传导电解质。
光电电容器(PC)通过将光伏或能量收集单元与超级电容器 (SC)或能量储存单元相结合，提供了一种创新的能量转换和储存技术。这种双重用途的系统允许在一个单一的设备中有效地产生和储存电力，使其适用于广泛的应用。PC基于自充电电容器的中心概念，可以直接储存由光伏电池产生的电能。这种集成系统允许有效地产生和储存电力，使PC适用于下一代电子设备和系统的广泛应用，特别是在能源需求增加和对可持续自给自足电源的需求变得更加重要的时候。
研究成果
为了应对当前电子设备和传感器的小型化趋势,高效能量转换和低损耗能量存储技术的互补耦合催生了光电电容器(PC)的发展，它将能量转换和存储结合在一个设备中。与超级电容器集成的光伏系统提供了独特的光转换和存储能力，从而在过去十年中提高了整体效率。因此研究人员已经探索了广泛的设备组合、材料和表征技术。纽卡斯尔大学Marina Freitag、罗马第二大学Francesca Brunetti教授等人在这篇综述中对光电电容器进行了全面的概述，包括其配置、运行机制、制造技术和材料，重点是小型无线设备、物联网 (loT)和互联网 (loE)中的新兴应用。此外，还强调了金属有机框架(MOFS)和有机材料等尖端材料在超级电容器中的重要性，以及光伏领域的新型材料在推进无碳、可持续社会的个人电脑方面的重要性。我们还评估了这一新兴研究领域的潜在发展、前景和应用场景。相关报道以“Progress of Photocapacitors”为题发表在Chemical Reviews期刊上。
图文导读
Figure 1. Schematic illustrating the integration of photocapacitors from individual components into a singular device capable of light harvesting and charge storage. Multiple applications are enabled by the use of photocapacitors, and their development will lead to more efficient and sustainable energy consumption.
Figure 2. Schematic representation of the illuminance levels in different settings. As depicted in the diagram, most sensors and communications protocols require power from 10 μW to 100 mW. Efficient PCs with enough active areas can meet the power requirements of each application. The design of flexible photocapacitors broadens their ambient light applications and wearable electronics.
Figure 3. Top left: Different photovoltaic technologies. First-generation solar cells based on c-Si and a-Si, second-generation solar cells: GaAs and CIGS, among others, and third-generation or emerging solar cells: OPVs, PSC, and DSC or QDSC with similar structures. Top right: Shockley−Queisser limit for photovoltaic technologies. Bottom: comparison of the performance of batteries vs supercapacitors.
Figure 4. Schematic representation of the photocharging and dark discharge processes in a photocapacitor, and integration of a PC into different terminal configurations: 2-terminal, 3-terminal, 4-terminal.
Figure 5. Schematic guideline showing the mechanism, materials, and characterization techniques of photovoltaic and supercapacitor devices.
Figure 6. Schematic overview of the characterization of an integrated PC. The photovoltaic and charge storage efficiencies must be measured for the entire system to calculate a PC’s overall efficiency. The dark discharge must be recorded under strict dark conditions, and the stability must be reported following multiple photocharge−discharge cycles.
Figure 7. Sustainability of photocapacitors. Through Earth-abundant materials, third-generation photovoltaics can be manufactured with green chemistry techniques. Additionally, the charge storage unit can integrate multiple waste and bioderived materials. These features contribute to the viability of PC production and integration into a circular economy.
总结与展望
这篇综述通过研究三个方面对光电电容器进行了全面的概述：光电极和电容材料、PC特性和光电子器件系统。首先，总结了光电容器的材料、元件和器件工程的研究状况，包括光电特性和超级电容器材料。还讨论了各种半导体的带隙，空穴-电子重组，以及影响 PC整体效率的因素。第二，回顾了确定和提高光电电容器性能的已知方法。这些方法包括优化活性材料的内在属性，提高界面质量，以及完善设备集成。还强调了开发高效光转换集成系统的潜在策略，为光电电容器技术的进一步发展铺平道路。最后，探讨了光电电容器在可持续发展中的未来应用及其对各行业的潜在影响。评估了个人电脑在物联网和物联网系统、智能建筑、农业、健康和商业方面的前景。讨论了个人电脑在促进能源效率、自供电人工智能、增强连接性和数据传输方面的作用，最终为更可持续的未来作出贡献。
总之，光电电容器技术的未来是光明的，有大量的创新、增长和积极影响的机会。通过解决关键的技术挑战，进行基础研究,探索新型材料和设备配置，可以释放出光电电容器的真正潜力，使其成为我们可持续能源领域的一个组成部分。通过探索新材料，完善设备架构，并与机器学习和人工智能等先进技术相结合，光电电容器有可能重塑许多行业，并为一个更可持续和连接的未来作出贡献。进一步的研究和各学科间的合作对于释放这一多功能技术的全部潜力至关重要。
文献链接
Progress of Photocapacitors
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00773
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