集成太陽能液流電池的示意圖。太陽能電池被連接到可以儲存電力以備后用的化學藥品罐中。

　　威斯康星大學麥迪遜分校的化學家及其合作者創建了一個高效且持久的太陽能液流電池，該電池可通過一種設備從太陽產生，存儲和重新輸送可再生電力。

　　該新設備由硅太陽能電池和先進的太陽能材料制成，這些材料與經過優化設計的化學成分集成在一起。威斯康星大學麥迪遜分校化學系的Song Jin實驗室制造的太陽能液流電池，效率再創新高，達到20％。這是當今使用的大多數商用硅太陽能電池的最佳選擇，并且比以前由Jin實驗室開發的太陽能液流電池的記錄保持器高40％。

　　盡管太陽能液流電池距商業化尚有數年之遙，但它們提供了為照明，手機或偏遠地區家庭的其他基本用途提供可靠的發電和存儲的潛力。它們將將太陽光轉化為電能的光伏電池的優勢與液流電池的優勢相結合，液流電池使用可以反應產生電能并由太陽能電池充電的化學藥品罐

　　研究人員于 7月13日在《自然材料》雜志上發表了他們的工作。威斯康星大學麥迪遜分校的研究生李文杰是該研究的主要作者。金實驗室與來自新南威爾士大學和澳大利亞悉尼大學，猶他州立大學，沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學和香港城市大學的研究人員合作。

　　由于太陽并不總是發光，因此存儲對于實用的太陽能至關重要，特別是在陽光充足的偏遠和農村地區，例如在美國，澳大利亞，沙特阿拉伯和非洲的遮陽帶地區。許多太陽能家用系統使用鉛酸或鋰離子電池進行電能存儲。液流電池使用大容量的液體化學品儲罐來存儲能量，在大規模生產時可能會便宜一些，并且是與太陽能電池合并的理想存儲選擇。

　　盡管太陽能液流電池距商業化尚有數年之遙，但它們提供了為照明，手機或偏遠地區家庭的其他基本用途提供可靠的發電和存儲的潛力。

　　Jin實驗室花了多年的時間研究和改進集成的太陽能液流電池系統。在2018年，它開發了一種使用三層高效但昂貴的太陽能材料制成的太陽能液流電池，整體效率達到14％。但是，腐蝕大大縮短了設備的使用壽命。

　　在他們的最新報告中，研究人員轉向了一種越來越流行的光伏電池材料，即鹵化鈣鈦礦。這些特殊材料的太陽能轉換效率在10年中從百分之幾急劇增加到百分之25以上。最近的研究表明，鹵化物鈣鈦礦還可以通過捕獲來自太陽的更多能量來提高傳統硅太陽能電池的效率。

　　具有有機-無機鹵化物鈣鈦礦頂層和硅底層的鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池的示意圖。

　　這種新型的高效鈣鈦礦硅太陽能電池正在走向商業化。然而，硅仍然是制造能夠承受液流電池中化學物質的穩定設備的關鍵。

　　“我們設計太陽能電池的動機是將這兩種材料結合在一起，因此我們既具有高效率又具有良好的穩定性，” Li說。

　　澳大利亞的Anita Ho-Baillie教授和博士后鄭江慧（Jianghui Zheng）制作了鈣鈦礦型硅太陽能電池，并在硅表面上附加了一層保護層。他們將太陽能電池運到威斯康星州進行測試。

　　為了預測液流電池應運行的理想電壓，Li開發了一種新的理論建模方法。通過建模，他可以根據太陽能電池的特性在液流電池中選擇將在理想電壓下運行的一對化學物質，從而最大程度地提高效率。這些化學物質是有機化合物，而不是傳統的液流電池中的昂貴金屬，它們溶解在食用鹽的良性水溶液中，而不是強酸。

　　猶他州立大學化學教授T. Leo Liu和他的研究生提供了關鍵的匹配化學品。得益于太陽能電池和液流電池之間的良好匹配，勝出的設備可在數百小時和數百次充放電循環中保持高效率，同時保留其大部分容量。該壽命是早期設備的幾倍。總體而言，新系統的使用壽命長且效率高達20％，使其成為迄今為止最好的太陽能液流電池裝置。

　　Jin表示：“您隨時可以提高20％的效率。” “您可以在白天立即使用太陽能，獲取20％的電量，或者您可以在晚上從存儲中使用太陽能，獲取20％的電量。”

　　在此類設備成為實用的可再生能源解決方案之前，仍有大量研究要做。在研究實驗室中增加當前小型設備的大小和規模是一項挑戰。即使研究人員制造了相對較長時間的電池，但現實世界中的應用仍需要更高的耐用性。Jin實驗室在繼續開發效率更高的太陽能液流電池的同時，還進行了實際的權衡以降低設備成本。

　　這項研究有一天可能會產生一種新的方式來收集，儲存和利用太陽的能量。

　　“如果我們能夠做到這一點，我們最終的目標是瞄準太陽能家用系統，”李說。“沒有電網的人可以使用此設備來獲得可靠的電力。”