导读

最近,韩国蔚山国家科学技术研究院( UNIST)的科研团队基于高效的硅太阳能电池和锂离子电池(LIBs),开发出了一种单片的、光充电的便携式移动电源,可用于便携式电子设备的充电。

技术关键字

印刷电子技术光伏系统太阳能电池

创新背景


也许,很多朋友都会想象过,如果有一种移动电源,它能够高效利用太阳能,为我们的移动电子设备例如智能手机、智能手表等充电,那么我们就再也不用担心移动电源没电了,而又找不到充电插座给移动电源充电。


很简单,放太阳下晒晒就有电了。


之前,John 也介绍过不少关于太阳能电池方面的创新技术,例如:《新型柔性太阳能电池:像创可贴一样具有弹性》《瑞士最新研究:心脏起搏器有望利用太阳能供电》《新型纺织品利用太阳能和风能为可穿戴电子产品供电》《太阳能电池:复制玫瑰花瓣表皮细胞 提高能量转化效率》等。

但是,个人认为,太阳能移动电源的大规模应用主要存在两个关键阻碍:


  • 光电转化和存储的效率低

  • 充电速度慢

创新探索

为了有效应对上述挑战,最近UNIST能源和化学工程系的 Sang-Young Lee 教授、Kwanyoung Seo 教授进行了创新探索和尝试,他们开发出了一种新型的单片集成的便携式光伏电池系统」(称为“SiPV-LIBs”)。这项研究的论文发表于享誉世界的能源与环境科学杂志(EES)2017年4月的月刊。

左边是可充电电池图片,它可以在任何有光的地方充电。右边是Keun-Ho Choi, Sang-Young Lee教授, Kwanyong Seo教授, Inchan Hwang。
(图片来源于:UNIST)

这种最新开发的移动电源,不仅可在太阳光,而且还可以室内灯光下工作。只要有光线存在的地方,用户就可以随时随地给便携式电子设备充电。此外,即使在没有光线的情况下,这种新型设备也能给电气器件供电。

核心技术


在了解这项创新基本情况后,我们会很想了解其中的核心技术。


  • 组成


该系统基于小型化的晶体硅太阳能光伏板(c-Si PV)和印刷的固态锂离子电池(LIBs)。


使用紫外光固化聚合物和胶带做成的c-Si PV模组的示意图

(图片来源于:UNIST)

  • 工艺

该设备的制造使用了薄膜印刷技术」,固态锂离子电池能够在高效的 c-Si PV 模组上直接进行印刷。


研究团队通过串联印刷工艺,利用c-Si PV模组的铝电极上的双极电解槽结构, 制造固态锂离子电池


为了使得两种不同的能量系统之间的架构/电气连接变得天衣无缝,铝金属层不仅用作锂离子电池的集电器,而且也用作太阳能电池的电极。这样就使得电池充电时,没有能量损耗。

Seo 教授和他的团队采用的是一种背面电极式的太阳能电池设计,从而成功实现了一种无损的c-Si PV模组。如果使用单一连接的太阳能电池,制造太阳能模组,则会引起能量损耗。然而,这种背面电极式的设计,也可以防止这种损耗。


同时,团队也简化了制造工艺,使用小型太阳能电池组合形成单硅基板

创新价值


要了解这项创新的价值,我们先来看看Lee 教授的评述:


“该设备提供了一种解决方案:能够解决电池的能量密度问题和太阳能电池的能量存储问题。更重要地是,电池直接在太阳光下时,具有相对较高的功率和能量密度,显示出它可作为太阳能驱动的能量转换/存储设备,应用于电动汽车和便携式电子设备。”


所以,从评述中看出,这项创新价值主要在于三方面:


  • 改善电池的能量密度和太阳能电池的能量存储。

  • 阳光直接照射时,功率和能量密度较高。

  • 可作为能量/转换存储设备,用于电动汽车和便携式电子设备(这点接近应用价值)

另外,根据研究团队的说法,这项创新还具有以下优势:


  • 超常的光电化学性能和紧凑的设计


相对于传统的单独使用光伏电池或者锂离子电池的方式,这种单片的PV-LIB设备,展现出了超常的光电化学性能和紧凑的设计。


  • 快速充电和高光电转化/存储效率


同时,在光充电(在2分钟之内快速充电,光电转化/存储效率达7.61%)方面,它的提升也是前所未有的。


这张示意图代表了单片集成的SiPV-LIB设备和双极锂离子电池的电化学性能。

(图片来源于:UNIST)


应用价值


在研究中,Lee教授和研究团队将设备连接到各种便携式移动电子设备,进行实际应用拓展。


他们通过将SiPV-LIB设备插入预先切开的信用卡,制造了一种单片集成的智能卡。然后,使用市场上的银笔在信用卡背面的绘制电路,将SiPV-LIB设备和LED灯相连。


SiPV-LIB电池在太阳光照射下,甚至在一个光线暗淡的房间中,完全充满电,只需要两分钟。右方的图片显示出嵌入SiPV-LIB设备的智能卡。

(图片来源于:UNIST)


同样,这种SiPV-LIB设备也可以和智能手机或者MP3播放器进行连接,并且还有一种潜在的应用,就是作为一种补充方案,在太阳光下作为移动电源使用


SiPV-LIB 设备仅需在太阳光下照射两分钟,就可以充满电。即使在 60°C的高温条件或者极端低的光强度(8 mWcm-2,这也和室内光线暗淡的照明条件相符合)的条件下,它也能展示出合宜的光充电能量存储行为。


对于其应用价值,我们再看看Lee 教授的说法:


这里的SiPV-LIB 设备显示出作为光充电移动电源的巨大潜能,在到处都是电子设备的未来时代,他将扮演关键角色。

参考资料


【1】http://www.dgist.ac.kr/site/dgist_eng/menu/508.do?configNo=96&cmd;=read&contentNo;=34358&pageIndex;=1&recordPerPage;=10&month;=0&condition;=&keyword;=

【2】Han-Don Um, et al., “Monolithically integrated,
photo-rechargeable portable power sources based on miniaturized Si solar
cells and printed solid-state lithium-ion batteries,” Energy and Environmental Science, (2017). http://dx.doi.org/10.1039/C6EE03266D


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