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来源：研之成理收集编辑：丁瑜
可穿戴电子产品、便携式设备和物联网的广泛应用需要可靠高效的电源以实现持续工作。提高柔性储能设备的体积容量，包括能量密度和功率密度是解决上述问题最直接的策略，但是现代电子集成微型平台的多功能化趋势对可持续电源提出了巨大挑战。各种组件的耗电不可避免地导致电池更换或频繁充电，在实际情况中造成不便。将柔性储能设备的能量密度提高到非常高的水平也存在潜在的安全问题，特别是对于经常经历可重复机械变形的可穿戴电子产品。考虑到这些因素，作者认为一个柔性的自充电系统，可以从周围环境中收集能量，同时为储能设备充电，而无需外部电源，这将是一个有前途的解决方案（Nature Reviews Materials, 2022, 7, 870-886）。光充电系统的理念是用自动光伏充电取代储能单元的手动充电，这与柔性电池/超级电容器的当前发展无缝融合，可实现功率独立、可持续和免维护的可穿戴电子产品。通过柔性太阳能电池直接为可穿戴电子设备供电已经得到了很好的证明，但工作环境周围的光强度各不相同，为了利用如此丰富、间歇和随机分布的能量，考虑到功率稳定性和可持续性，兼容的储能单元必不可少。随着材料科学和器件设计的进步，光充电系统的开发取得了重大进展。随着太阳能电池功率转换效率（PCE）的提高、储能器件存储能力的提高和电源管理策略的优化，集成器件的总效率（即储能器件输出的能量与入射光能量之比）稳步提高。近日，苏州大学刘瑞远教授课题组总结了最先进的柔性光充电技术，这些技术具有作为自供电传感系统可持续电源的潜力。本文全面介绍了柔性光充电技术的一般机理、材料、器件设计和性能。总结了两种典型的基于储能器件的柔性光充电系统，包括一些高效集成和输出调节的电源管理策略，并简要介绍柔性光充电系统应用的现状。最后总结了柔性光充电技术主要成就、主要挑战和进一步研究与发展的一些前景。▲图1. 柔性光充电装置的工作机构和装置设计。（a） 光能转换和储存过程。（b） 平面装置：外部导线连接、共同共享、光电电极。（c） 纤维纺织品：平行、同轴或加捻纤维和纺织品。省略了各个设备的详细结构和电气连接。要点1. 光充电过程包括太阳能转换过程和储能过程（图1a）。太阳能电池通过光伏效应将光能转化为电能，通过光伏效应，电子-空穴对可以被光子激发，被内置电位分开，并由电极收集。大多数储能设备通过电解质离子的可逆静电吸附或法拉第表面氧化还原反应来工作。目前的柔性光充电器件按器件结构大致可分为两类：平面光充电器件（图1b）和可穿戴光充电光纤/纺织品（图1c）。通常，大多数平面器件是通过逐层技术制造的，例如涂层或印刷技术，而器件的集成是通过依次将光伏和电化学活性材料沉积在导电纤维电极上或从内到外依次加载来实现的。与平面太阳能电池不同，光纤光充电器件具有独特的三维照明特性，可以有效地利用来自不同入射角的光，从而减少光入射角引起的电输出波动。▲图2. 柔性的平面光充电设备。（a） 混合硅纳米线/聚合物异质结太阳能电池（Hybrid SiSC）与基于聚吡咯的超级电容器集成。（b）3微米厚的有机光伏（OPV）与40微米厚的碳纳米管/聚合物超级电容器集成。（c） 7个胶体量子点太阳能电池与柔性锂离子电池集成。（d） 钙钛矿太阳能电池（PVSC）与氧化锌-锰微型电池集成。要点2.将平面结构的光伏器件与超级电容器集成光充电器件（图2a，2b），在收集太阳能的同时进行电力的存储和输出。具有快速充电/放电速率（高功率密度）和低能量密度的超级电容器仍无法满足存储大量能量以实现恒定供电的要求。因此，这类光充电设备的应用应针对需要快速响应且对高能量密度要求不重要的领域，例如消耗非常低功率且仅在特定频率下工作的自供电传感器。将平面结构的光伏器件与可充电电池集成（图2c，2d）在对电池充电过程中电极材料中发生的氧化还原反应使电池的能量密度高于超级电容器。▲图3. 可穿戴的光充电纤维/纺织品。（a） DSSC与超级电容器集成。（b）OPV与超级电容器集成。（c） DSSC与锂离子电池（LIB）集成。（d） DSSC与氧化锌-锰电池集成。要点3.将纤维状光伏器件与超级电容器集成光充电器件（图3a，3b）,纤维状光伏器件中的纤维电极可以提高集成器件的电化学活性，并且纤维电极中的电荷传输路径远高于平面结构的载流子传输路径。增强电极的电化学活性和导电性对于纤维状超级电容器至关重要，活性材料的电化学稳定性对于长期快速充放电过程尤为重要。将纤维状太阳能电池作为壳层，纤维状可充电电池作为核心集成同轴结构的纤维光充电器件（图3c，3d），与基于超级电容器的纤维光充电器件相比，基于太阳能电池的光充电器件具备更高的能量密度，但是制造工艺也更复杂。需要解决器件设计和封装方面的挑战，以进一步提高纤维器件的性能，然后提高光充电器件的性能。▲图4光充电电源的应用。（a） 单片集成的自供电智能可穿戴腕带，带有印刷互连、气体传感器、可印刷超级电容器和嵌入式非晶硅（a-Si）太阳能电池（aSiSC）。（b） 基于DSSC和Zn-MnO2的可伸缩光充电电源用于应变传感的电池。（c）集成aSiSC模块和锂离子电池的手环，用于可穿戴脉搏血氧仪，可以监测心率和血液氧合。要点4. 已经开发出具有良好的机械稳定性，操作循环性和良好总效率的柔性光充电设备，可以作为电源紧密连接到人体皮肤，布料和便携式设备。自供电传感系统是柔性光充电器件一类成功的应用，其中传感器由收集的光能驱动，并且由于传感器相对简单的结构和较低的功耗，可以轻松和光充电系统集成（图4a，4b）。作为健康监测设备的自充电电源是光充电器件进一步应用（图4c）。但目前仅证实了可行性，器件的性能还需进一步提升才能满足健康监测设备的需求。光充电系统从光中获得能量，在器件设计时需要考虑不同场景下光源的获取，这也限制了光充电系统的应用。和其他柔性能量收集技术混合可能是克服光限制的可行策略，比如摩擦纳米发电机、压电纳米发电机和热电发电机等。Y. Ding, Z. Wang, X. Duan, R. Liu, Flexible photo-charging power sources for wearable electronics, Materials Today Energy, https://doi.org/10.1016/j.mtener.2023.101276.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468606923000321刘瑞远，苏州大学能源学院特聘教授，博士生导师，课题组长 (PI)。2017年获得苏州大学博士学位，导师为孙宝全教授。先后在美国佐治亚理工学院 (导师为王中林院士)、中科院北京纳米能源与系统研究所、日本理化学研究所/东京大学 (合作导师为Takao Someya教授) 从事访问交流和博士后研究工作。2021年入职苏州大学能源学院。研究内容涉及半导体纳米结构，有机/无机太阳能电池，纳米发电机，自驱动传感以及柔性光充电系统，目前主要研究重点为集成发电、储能和传感的柔性自驱动传感系统。研究结果发表在Nature Reviews Materials, Nature Energy, Advanced Materials，Advanced Energy Materials, Nano Letters, Materials Today等材料和能源知名期刊。http://flexible.energy.suda.edu.cn/更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。