大家好！今天一起来了解一项用于自供电智能窗户和显示器的发光太阳能聚光器（LSCs）和电致变色超级电容器（ECSs）集成装置——《Integrated device of luminescent solar concentrators and electrochromic supercapacitors for self-powered smart window and display》发表于《nature communications》。在建筑和电子设备领域，如何高效利用太阳能、实现智能调控一直是热门话题。科研人员也在寻找能集多种功能于一身且性能优异的材料和装置。接下来一起深入了解一下吧！
*本文只做阅读笔记分享*
一、研究背景与问题提出
随着光伏技术发展，利用建筑玻璃幕墙进行光伏转换成为研究热点，LSCs作为半透明光伏玻璃备受关注。它由嵌入发光团的透明基质和边缘耦合的光伏电池组成，能将吸收的光子转化为电能，而且不受阴影效应影响，在建筑侧面玻璃幕墙应用潜力巨大。但LSCs输出能量不稳定，通常需连接带有储能和电压调节模块的太阳能管理系统，这就好比给轻盈的自行车绑上沉重的包袱，不仅累赘，还会引发诸如影响窗户开启、占用过多安装空间、破坏建筑美观等问题。
同时，电致变色智能窗户可调节阳光透射率控制室内光照，不过以往的电致变色装置大多依赖外部电源，既不独立灵活，还额外耗能。虽然也有一些自供电的尝试，比如基于氧化还原反应的自供电智能窗户，但其自充电速度慢、循环寿命差；将半透明太阳能电池与电致变色装置集成，又面临组装复杂、成本高，以及窗户对高可见光透射率和太阳能电池对高光电转换效率需求难以平衡的挑战。所以，研发一种集成LSCs和半透明储能装置的设备迫在眉睫，而此前这还是个研究空白。
二、集成装置的设计与原理
这次研究的亮点就是提出了“面对面”串联集成LSCs和ECSs的装置。这个集成装置主要由两部分构成，就像双人组合，各自发挥优势又紧密配合。
一部分是准固态ECSs，由聚苯胺（PANI）薄膜电极作为阳极电致变色材料，三氧化钨（WO₃）薄膜作为阴极电致变色材料，它既能储能又能实现电致变色。另一部分是LSCs，由发红光的CsPbI₃/PMMA复合材料和边缘耦合的硅太阳能电池组成，负责收集能量。
在这个集成装置里，LSCs在阳光照射下产生电能，就像勤劳的小蜜蜂采集花蜜一样，这些电能直接被ECSs储存起来。而且，ECSs稳定的电压窗口（0-1.4V）能和LSCs的输出电压（0-2.07V）完美匹配，这样一来，就不需要额外的电压调节模块了，成功甩掉了“沉重的包袱”。
三、准固态ECSs的性能研究
为了组装出性能优越的准固态ECSs，研究人员精心准备了PANI和WO₃电极。通过电化学沉积法在ITO上制备电极，仔细调整电沉积时间来优化电极性能。
研究发现，电沉积时间为600s的PANI电极，比容量高达13.8mFcm⁻²（在电流密度为0.1mAcm⁻²时），电化学性能超棒；
WO₃电极经过筛选，选择了电沉积时间为45s的，它的比容量能达到46.8mFcm⁻²（在电流密度为0.5mAcm⁻²时）。
从循环伏安（CV）曲线可以看出，在0-1.4V的大电化学窗口下，ECSs的电化学性能稳稳当当。恒电流充放电（GCD）曲线显示，充电和放电过程呈现非线性，因为它的储能方式属于法拉第赝电容储能。从Ragone图能算出，在电流密度为0.1mAcm⁻²时，ECSs的能量密度为23.3mWhm⁻²，功率密度为0.7mWm⁻²。而且，单个ECSs就能点亮一个定时器，这表明它在能量供应领域潜力无限。
除了储能，ECSs在充放电过程中，平均可见光透射率（AVT）还能根据PANI和WO₃的电致变色行为进行调节。从透射光谱可以看到，充电时，PANI和WO₃电极的透射率下降，装置颜色从浅绿色变成深蓝色；在0V（完全放电状态）时，AVT为49%，到1.4V（完全充电状态）时，AVT只有14%。它的变色时间仅0.9s，褪色时间2s，反应速度相当快。在长循环测试中，经过1200次充放电循环后，电容保持率还有82%，不过电致变色稳定性方面，光学调制范围会随着循环次数增加而下降。
四、LSCs的性能研究
在制备LSCs时，研究人员用配体修饰的CsPbI₃纳米晶体和PMMA分别作为发光团和发光层基质，通过原位刮涂法在玻璃基板上制备出发红光的LSCs。
制备的CsPbI₃/PMMA复合薄膜平均可见光透射率高达80%，最佳激发波长470nm处有个688nm左右的红色发射峰，绝对光致发光量子产率（PLQY）为54.9%。
根据计算得出，LSCs的吸收效率为11.6%，边缘发射效率为72.4%，内部光学效率为39.8%，最终得到的外部光学效率为4.6%，比大多数已报道的LSCs都要高。
从电流密度-电压（J-V）曲线可以算出，在1个太阳光照条件下，5×5cm²的LSCs的光电转换效率（PCE）为0.56%，光利用效率（LUE）为0.45%。而且，即使光程长度达到9cm，复合薄膜的光强仍能达到初始光强的21%。在环境空气中储存一个月后，PLQY和PCE还能分别保持85%和81%，说明PMMA聚合物对CsPbI₃纳米晶体有不错的保护作用。
五、集成装置的性能与应用
把LSCs和ECSs组装成集成装置后，它的性能表现也十分出色。在1个太阳光照条件下，集成装置仅需124s就能成功充电到1.2V，和其他自充电装置相比，它的自供电效率和电容稳定性不错，充电时间还短。充电过程中，装置的透射率和颜色会发生变化，从图4c能看到，充电时间从0s增加到120s时，AVT从36.8%降到10.2%，颜色从浅绿色变成深蓝色；在短波红外（SWIR）区域，放电状态下集成光学透射率为31.4%，充电120s后降至13.4%。同时，ECSs充电时透射率下降，会使LSCs接收的光子数量减少，导致LSCs的输出功率降低，从J-V曲线就能看出这种变化。
这个集成装置的应用前景非常广泛。首先，它能作为储能装置为低功率设备供电，比如给定时器持续供电。其次，它可以替代传统窗户，成为建筑或汽车的快速转换智能窗户。通过控制开关，就能让窗户在遮光和透光状态间快速切换，还能调节太阳辐射透射率，有效控制进入室内或车内的光和热。另外，集成装置还能做成自供电显示器。通过设计不同的PANI图案和引入三档控制开关，就能实现快速显示不同的文本信息，比如“OPEN”和“CLOSE”，而且在1个太阳光照下，2s内就能充电到1.1V用于快速显示，在低光环境下也能快速充电到0.5V以上并清晰传达信息。
六、研究总结与展望
总的来说，这项研究成功制备出了具有光伏转换、储能和电致变色三重功能的LSCs-ECSs集成装置。它在1个太阳光照下，面积比电容能达到2.94mFcm⁻²，124s内就能快速充电到1.2V给低功率设备供电，还有可逆的电致变色行为（AVT在10.2%-36.8%之间变化）。基于这些特性，研究人员还制备出了能在2s内快速显示文本信息的自供电显示器。
不过，这个集成装置目前也有一些不足。比如能量密度还比较小，和实际储能产品的要求相差甚远。未来可以尝试使用高比容量材料做电极、在电解质中掺杂多价离子、拓宽工作电压窗口，或者集成离子电池作为替代储能模块来解决这个问题。另外，集成装置的循环稳定性也有待提高，后续可以研发更稳定的新型电致变色材料，引入分层多孔电极支架来负载电致变色材料，减少晶格体积变化对结构造成的损伤。相信在科研人员的不断努力下，这项技术会越来越成熟，在更多领域大放异彩！
七、一起来做做题吧
1、关于发光太阳能聚光器（LSCs），下列说法正确的是？
A. LSCs 对阴影效应敏感，发电效率易受影响
B. LSCs 由发光团和边缘耦合的光伏电池组成，可实现光伏转换
C. LSCs 输出能量稳定，无需连接储能模块
D. LSCs 的外部光学效率普遍高于 50%
2、准固态 ECSs 中，关于 PANI 和 WO₃电极的描述，正确的是？
A. PANI 电极电沉积时间越长，性能越好
B. WO₃电极的比容量与电沉积时间无关
C. 选择 PANI - 600 和 WO₃ - 45 电极是因为其 CV 曲线积分面积几乎相等，能存储相同电量
D. 准固态 ECSs 的储能方式属于双电层电容储能
3、在 LSCs - ECSs 集成装置的充电过程中，会发生以下哪种现象？
A. 装置的透射率增加，颜色变浅
B. LSCs 的输出功率会因为 ECSs 透射率下降而增加
C. 集成装置在 1 个太阳光照下，124s 可充电至 1.4V
D. 装置的颜色会从浅绿色逐渐变为深蓝色
4、关于 LSCs - ECSs 集成装置的应用，下列说法错误的是？
A. 可以为低功率设备，如定时器供电
B. 不能作为智能窗户应用于建筑或汽车
C. 能制作自供电显示器，快速显示文本信息
D. 作为智能窗户时，可控制进入室内或车内的光和热
5、为提高 LSCs - ECSs 集成装置的性能，下列方法不可行的是？
A. 使用高比容量材料作为电极
B. 拓宽工作电压窗口
C. 在电解质中掺杂多价离子
D. 减少 ECSs 的电致变色功能
参考文献：
Huang, S., et al. Integrated device of luminescent solar concentrators and electrochromic supercapacitors for self-powered smart window and display. Nat Commun 16, 2085 (2025).
