一种基于Cs?AgBiBr?的高效、稳定且全固态的光充电池

《Journal of Power Sources》：A high efficient and stable all-solid-state photo-rechargeable battery based on Cs 2AgBiBr 6

双钙钛矿基全固态光可充电电池通过Ag离子掺杂提升性能，200次循环后容量保持率超80%，光电压0.62V，串联八单元可点亮LED 130秒。

　　

王康杰|陈增|徐金涛|张瑞|李晓辉|胡静|张普涛|刘美月|李胜军

中国河南大学量子材料与量子能源重点实验室

摘要

当前的研究越来越多地致力于开发能够同时收集和储存太阳能的集成系统。先前的研究已经介绍了基于Cs₃Bi₂I₉的全固态光充电电池，通过用甲基铵离子替代Cs⁺离子、用溴离子替代I^?离子，提高了循环稳定性和充放电容量。然而，这类设备的整体性能仍有进一步提升的空间。本研究通过将银离子引入基于铋的双钙钛矿材料中的铋离子位点，提出了一种创新的全固态光充电电池设计。这一改进显著提升了电池的电循环性能和容量。在200次充放电循环后，电池仍能保持超过80%的初始容量，并在黑暗环境中达到约0.58伏的开路电压。该系统还展示了0.11%的显著功率转换效率。当多个电池单元串联连接时，在模拟阳光照射下，可以为LED供电约130秒。同时，本研究还证实Bi³⁺/Bi⁰的氧化还原过程可能是实现基于铋的光伏电池光充放电的关键。

引言

由于其绿色和无限的性质，太阳能是化石燃料的重要替代品[1]。近年来，光伏技术发展迅速，已成为利用太阳能的有效方式[2,3]。然而，太阳能电池的应用受到其间歇性和波动性的限制[4]。将太阳能电池与储能系统集成是解决上述问题的常用方法。通常通过接线或机械堆叠来实现太阳能电池与可充电电池的集成[[5], [6], [7]]。然而，这种方法需要在太阳能电池和电池之间增加额外的电路，这不仅使系统集成复杂化，还会引入显著的欧姆损耗[[8], [9], [10]]。此外，由于太阳能电池和电池之间的不匹配，实现理想功率也是一项重大挑战[11]。这些缺点导致成本增加和效率降低，从而限制了其大规模应用的潜力。

与通过接线或机械堆叠的集成方式相比，双电极系统作为一种更具吸引力的集成解决方案脱颖而出，主要得益于其简化的制造过程、紧凑的结构设计、优越的性能特性以及大规模生产的可行性[12]。在双电极光充电电池配置中，一个电极同时具备光转换和能量储存的双重功能。Hodes等人在1976年的开创性工作首次展示了使用含硫化合物电解质的双电极光充电电池[13]。随后，张等人报道了在三维铜泡沫基底上原位生长的一维CuO纳米线阵列作为双功能光阳极的首次应用[14]。在高电流密度（4000 mA g^?1）条件下，充放电比容量显著提高，分别从269.04 mAh g^?1和264.12 mAh g^?1提升到431.89 mAh g^?1和433.18 mAh g^?1。刘的研究团队开发了一种结合g-C₃N₄光催化剂的光辅助可充电Li–O₂电池，实现了1.9伏的超低充电电压——远低于2.7伏的放电电压[15]。Kumar及其同事提出了一种基于TiS₂～–TiO₂纳米片的可充电锂离子电池正极[16]。这种新方法展示了250 mAh g^{?1?1的放电容量（在100 mA g?1电流下），为水基锌-碲光充电电池系统带来了显著的节能优势。该设备的整体效率达到了0.31%。}

然而，这类结构化的光充电系统通常依赖于液态电解质，这可能导致由于电解质泄漏而引发系统故障。在本研究中，我们提出了一种使用基于铋的钙钛矿Cs₂AgBiBr₆作为吸光层的全固态光充电电池，它集成了光吸收、能量转换和能量储存的功能。该光充电电池在光照条件下可产生0.62伏的光电压，在黑暗环境中保持0.49伏的输出电压，整体效率为0.11%。此外，通过将八个子电池单元串联连接，系统在仅30分钟的光充电后，可以为LED供电约130秒。

结果与讨论

首先使用逆温度结晶法制备了Cs₂AgBiBr₆粉末（见支持信息），以确保不存在Cs₃Bi₂Br₉和BiBr₃杂质相[18,19]。首先，使用12.5毫升HBr溶液精确称量CsBr（2毫摩尔）、BiBr₃（1毫摩尔）和AgBr（1毫摩尔）并溶解。然后，将溶液在硅油浴中逐渐加热至110°C，并在该温度下保持约2小时，直至完全溶解

结论

本研究介绍了一种创新的全固态光充电电池系统，该系统采用Cs₂AgBiBr₆（一种全无机铋基双钙钛矿材料）作为光活性层。所提出的材料在单一集成系统中展现了包括光吸收、能量转换和储存在内的多功能性。在二百次充放电循环后，电池仍能保持超过80%的初始容量。在光照条件下，该设备能够

CRediT作者贡献声明

王康杰：撰写——原始草稿，研究，正式分析。陈增：撰写——审阅与编辑，正式分析。徐金涛：研究。张瑞：研究。李晓辉：数据整理。胡静：研究。张普涛：正式分析。刘美月：正式分析。李胜军：撰写——审阅与编辑，资金获取，正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了河南省自然科学基金（编号：242300421348）的支持