當(dāng)今的大眾消費者嚴(yán)重依賴能源技術(shù)及其發(fā)展。當(dāng)前能源相關(guān)的三大關(guān)鍵技術(shù)為智能電子產(chǎn)品，電動汽車和智能電網(wǎng)。智能電子產(chǎn)品依賴于容量有限的電池，需要使用有線連接頻繁地對電子器件進(jìn)行充電。太陽能或光伏為電池充電提供了可能的便利，因為在戶外陽光下，太陽能的能量密度可達(dá)100mWcm－2。目前另一個欣欣向榮的市場為電動汽車行業(yè)，雖然電動車不生產(chǎn)碳排放量，但是汽車所使用的電力大部分來自礦物燃料驅(qū)動的電網(wǎng)。除非車輛使用的電力來自可再生能源，否則電動汽車的可持續(xù)性意義不大。另外，充電站的分布也限制了其實際應(yīng)用。像光伏發(fā)電這樣的分布式發(fā)電是最合適電動汽車的充電方式。另一個前景應(yīng)用是電網(wǎng)?？稍偕茉吹膽?yīng)用正在穩(wěn)步擴(kuò)大，使用光伏能源的最大問題是夜間或陰天缺乏陽光，造成使用過程中的間歇性供電。這種間歇性會導(dǎo)致功率波動輸出，這是電網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵問題。因此，電力公司將光伏電力集成到電網(wǎng)中的功率進(jìn)行限制。這樣一來并未充分利用光伏發(fā)電的潛力。儲能電池可以解決這些問題，電池白天可以充電，晚上可以放電，為實現(xiàn)光伏發(fā)電接入電網(wǎng)提供了可能性。

　　2．傳統(tǒng)和先進(jìn)“太陽能電池－儲能電池”系統(tǒng)的對比

　　使用太陽能電池給電池充電的傳統(tǒng)方法是兩個系統(tǒng)獨立設(shè)計（圖1A），其涉及的太陽能電池和儲能電池作為兩個獨立單元的通過電線連接。這樣的系統(tǒng)往往比較昂貴、笨重而且不靈活，還需要比較大空間，另外外部的電線會導(dǎo)致電能損失。

　　有機的將產(chǎn)能和儲能合并為一個單元實現(xiàn)一體化設(shè)計將會有效的解決太陽能電池和電池的能量密度問題。這種設(shè)計具有小型化的特點，進(jìn)而會減少成本，增加了光伏系統(tǒng)的實用性。盡管有很多優(yōu)點，但是其在效率，容量和穩(wěn)定性等方面還存在很大的挑戰(zhàn)。目前在該方面的研究仍處于初級階段，研究的重心主要集中在材料和裝置的設(shè)計上。

　　集成光伏電池系統(tǒng)可以通過兩種不同的配置來實現(xiàn)：三電極（圖1B和1C）和雙電極（圖1D）。其中三電極設(shè)計中，一個電極被用作公用電極作為光伏器件和電池之間的陰極或陽極。在雙電極配置中，正極和負(fù)極同時執(zhí)行光轉(zhuǎn)換功能和儲能功能。

　　3．二元分離式“太陽能電池—儲能電池”的設(shè)計

　　本部分對前人分離式“太陽能電池—儲能電池”設(shè)計的工作進(jìn)行了總結(jié)，硅太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池以及染料敏化太陽能電池都能以不同的形式與鋰離子電池相結(jié)合，其中圖2A和B顯示了四個串聯(lián)的鈣鈦礦太陽能電池對鋰離子電池充電，效率達(dá)到7．36％。本文通訊作者喬啟全團(tuán)隊利用變壓器和最大功率點跟蹤實現(xiàn)了使用單節(jié)鈣鈦礦太陽能電池對鋰離子電池充電，其效率達(dá)到了9．36％，該項研究成果發(fā)表在AdvanceEnergyMaterials上（圖2C和D）。

　　4．一元集成式“太陽能電池—儲能電池”的設(shè)計

　　大多數(shù)關(guān)于一元集成式“太陽能電池—儲能電池”的設(shè)計工作集中于將太陽能電池和電容式儲能相結(jié)合而不是與電池。集成系統(tǒng)可分為三種類型的設(shè)計：（1）直接集成，（2）光輔助集成和（3）氧化還原液流電池集成。直接集成包括將太陽能電池和電池堆疊在一起（不包括氧化還原液流電池）。光輔助集成使用太陽能為電池充電只提供一部分的能量。氧化還原液流集成涉及使用具有太陽能充電的氧化還原液流電池。文章分別對這三種形式前人的工作進(jìn)行了詳細(xì)的概括總結(jié)，圖3、4和5分別為它們的典型代表。

　　5．1能量密度

　　傳統(tǒng)的鋰離子電池為了提高其能量密度常采用卷繞式的封裝方式，而對于“太陽能電池－儲能電池”集成系統(tǒng)是不可行的。因為鋰離子電池的封裝方式影響了接受太陽能的面積。太陽能電池的數(shù)量及功率需要與儲能部分相互匹配可以解決可用的PV表面積，可能的堆疊電池數(shù)量以及功率匹配需要。使用高比容量的材料做電極可以提高系統(tǒng)的整體能量密度，比如硅－NMC電池具有400kW／kg的能量密度，而且硅又是一種光伏材料，如果在集成系統(tǒng)里硅既可以做鋰離子電極又可以做光伏電極，將是一個理想的設(shè)計。硅太陽能電池需要很高的結(jié)晶度，而嵌鋰后會使硅的結(jié)晶度下降，這需要找到一個優(yōu)化的平衡點。鋰金屬電池的研究也為提高系統(tǒng)的整體能量密度提供了可能。此外，據(jù)文獻(xiàn)報道光轉(zhuǎn)換材料鈣鈦礦已被證明具有嵌入鋰離子的能力，而且在鈣鈦礦中摻雜鋰離子對其光伏性能有積極影響，這使得鈣鈦礦也有可能成為集成光伏電池系統(tǒng)高容量的雙功能材料。對于要求較高體積比能量的應(yīng)用，將是比較合適的。

　　理想化集成系統(tǒng)的整體效率是太陽能轉(zhuǎn)化效率與儲能系統(tǒng)的乘積，集成系統(tǒng)所能達(dá)到的最大效率受限于太陽能轉(zhuǎn)化效率，在現(xiàn)實中設(shè)計中集成系統(tǒng)的效率還要考慮到各種損耗。硅太陽能電池和鈣鈦礦電池能提供更高效的光電轉(zhuǎn)化，會在集成系統(tǒng)中提供更好的整體效率。如果要使太陽能電池提供更大的效率，另一個需要考慮的因素是最大功率追蹤（MPPT），這使得太陽能電池可以提供最大的功率。儲能電池方面，需要選擇最匹配的正負(fù)極以使庫倫效率最大化。

　　5．3穩(wěn)定性

　　穩(wěn)定性需要考慮光穩(wěn)定性、電化學(xué)穩(wěn)定性以及環(huán)境穩(wěn)定性，這需要謹(jǐn)慎的選擇電極材料。雖然人們在鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性研究方面取得了可喜的進(jìn)展，但是仍處于初步研究階段，如果選擇鈣鈦礦作為集成系統(tǒng)的光伏部分，還需要在鈣鈦礦的研究上有更大的突破才行。