汕头大学段连峰、鲁福身团队封面热点文章丨新型柔性电极用于构建高效准固态光充电电容器

01

研究背景

太阳能作为一种储量丰富且可持续的绿色能源有望缓解目前面临的能源压力以及环境污染等问题。但太阳光的间歇性导致太阳能电池难以满足日常生活中电力的持续供应。因此，将太阳能电池和储能设备（如电容器和电池等）相结合的“离网”太阳能系统是一种可行的储能方案。其中，集成光电容器（integrated photo-capacitor, IPC）作为一种新型的光驱动自充电电容器，通过将太阳能转换为电能并同时存储，从而克服太阳辐射不连续或光强波动的影响。然而，当前的 IPC 存在电极电解液不兼容、器件封装困难、以及光生载流子复合严重等问题，导致 IPC 的转换效率和循环性能较差。因此，选择高度兼容的电极和电解液，构建高转换效率的准固态 IPC 具有重要意义。

02

研究内容

近日，汕头大学段连峰教授和鲁福身教授合作报道了一种基于电荷分离转移机制的三电极准固态 IPC，该 IPC 由染料敏化 TiO₂ 光阳极、含 I₃^-/I^- 的静电纺丝 PVDF 膜、自支撑柔性 PEDOT/RGO 兼容电极和 PVDF/HFP-BMIMBF₄ 离子凝胶电解质组成。其整体转换效率（TCE）达到 5.8%，储能效率（ESE）可保持在 84.57%。此外，可弯曲的 PEDOT/RGO 兼容电极可应用于柔性或高压的 IPC，可满足新一代电子产品的需求。

图1 三电极准固态集成光电容器（IPC）结构示意图， PEDOT/RGO 兼容电极制备流程图及实物图。

图2 准固态 IPC 电荷转移示意图及光充电/恒电流暗放电及循环性能测试。

在光照下，染料敏化 TiO₂ 光阳极产生的光生电子通过外部电路传输到 PEDOT/RGO 并存储。在黑暗下，一部分电子用于再生染料，另一部分电子则用于为负载供电。为了评价 IPC 的能量转换效率，利用光充电/恒流放电（PC-GD）曲线计算太阳能的整体转换效率（TCE）和储能效率（ESE），方程如下：

在光照而无外加电流时，IPC 的电压在短时间内上升到 0.55 V，接着 IPC 在黑暗下以 2 mA 放电，基于 APGF (PEDOT/RGO)为兼容电极的 IPC 的整体转换效率（TCE）可达 5.81%。 

图3 高电压柔性准固态 IPC 光充电/恒电流暗放电及循环性能测试。

为了满足 IPC 的实际应用需求，通过光阳极和对电极的串联连接制备了高电压柔性 IPC。使 IPC 可以在 42 秒内充电到 1.5 V，在 0.25 mA、0.5 mA、1.0 mA、1.5 mA 和 2.0 mA 的外加放电电流下，高压 IPC 的 TCE 分别为 5.1%、5.23%、5.3%、5.29% 和 5.5%，经过第 50 次循环，高电压 IPC 的 TCE 保持初始循环的 86.75%。

图4 电荷分离转移机制示意图。

在本工作中，IPC 的优异性能归功于 PEDOT/RGO 兼容电极和离子电解质的电荷分离转移机制。其中，浓 H₂SO₄ 的自分解可以稳定 PEDOT 和 PSS 的分离状态，并改变 PEDOT 的结晶和纳米纤维结构。H₂SO₄ 还可以去除大量未偶联的 PSS，以提高电导率。由于噻吩环和 RGO 基面之间的 π-π 相互作用，以及 PEDOT 和 RGO 的 COOH/OH 之间的氢键，RGO 成功地组装在 PEDOT 上，提高比表面积、载流子迁移率和载流子浓度。此外，BMIMBF₄ 离子液体还与 PEDOT 具有较强的极性相互作用和亲和力，提高了电子传输能力。因此，光生电子可以快速移动到电极，使电极呈现负电性并吸附电解质中的阳离子。离子液体的离子聚集在电极表面，不仅改善了电荷的储存能力，而且可以改善电极的导电性，有助于敏化染料的再生。基于这一机制，本工作构建的准固态 IPC 显示出优异的转换效率和循环性能。

03

论文信息

Compatible and high-efficiency quasi-solid-state integrated photo-capacitor based on synergistic of PEDOT/RGO electrode and gel electrolyte to improve carrier migration

Yuanduo Qu, Siqi Liao, Liangyi Wu, Junkai Wang, Lianfeng Duan, Xia He and Fushen Lu

Inorg. Chem. Front., 2023, 10, 4993-5003

https://doi.org/10.1039/D3QI00332A

*文中图片皆来源上述文章

点击“阅读原文”直达上述文章，封面文章免费阅读6周

04

通讯作者简介

段连峰 教授

汕头大学

段连峰，汕头大学化学化工院教授，博士生导师，2011 年毕业于吉林大学材料学专业，获工学博士学位，先后在中科院长春应用化学研究所和加州大学洛杉矶分校从事博士后研究工作。目前主要从事光电转换及新能源储存材料设计、制备及性能优化方面的研究工作。主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省高校重点领域专项等省部级科研项目 6 项。发表 SCI 论文 60 余篇，申请/授权国家发明专利 6 件。

鲁福身 教授

汕头大学

鲁福身，汕头大学化学化工院教授，副院长，博士生导师。广东省“扬帆计划”高层次人才，汕头市科技创新领军人才。2005 年于中科院化学所获得有机化学博士学位，然后赴美国 Clemson 大学从事博士后研究工作，2010年加入汕头大学。主要从事低维纳米材料的结构设计、合成及其在环境、能源催化方面的应用研究，先后主持国家自然科学基金、省部级基金及科技计划项目、校企联合开发项目等 20 余项，在 Adv. Mater., Appl. Catal. B: Environ., Nano Today, Small, ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Hazard. Mater. 等国际知名学术期刊发表论文 120 余篇，论文他引 10000 余次。

推荐阅读

微信改版，公众号文章不再以时间轴排列啦！

将Frontiers Journals设为星标⭐ 不错过更多精彩内容！

喜欢今天的内容？

👇    就来分享、点赞、在看三连吧    👇