光辅助可充电超级电容器（PSCs）是一类新型的混合储能设备，它们将太阳能收集和电化学储能功能结合在一个设备中。本文综述了PSCs的最新发展，包括其工作原理、材料设计策略、架构和性能特性。特别强调了使用光响应电极的不对称和集成架构，在这些架构中，光生成的载流子增强了氧化还原反应和离子传输。文中讨论了光活性材料（包括过渡金属氧化物和硫化物、TiO2纳米管以及混合异质结构）的进步，这些进步提高了比电容、能量密度和光充电效率。此外，实验研究表明，在光照条件下的电化学性能明显优于黑暗条件下的性能，优化系统的能量密度可高达约60.9 Wh kg−1，并且库仑效率也得到了提升。本文重点讨论了无粘合剂的纳米结构电极、界面工程、电解质优化和能带对齐控制对于提高循环性能和长期稳定性的重要性。最近还进行了理论和原位研究，以解释光诱导的电荷转移过程。尽管取得了这些进步，但在光利用效率、操作稳定性和可扩展生产方面仍存在挑战。总体而言，PSCs为实现自供电、小型化和可持续的储能技术提供了可行的方向，适用于未来的便携式、可穿戴和智能电子设备。
2. 光辅助可充电超级电容器概述
2.1 光充电超级电容器概述与能源挑战
具有光充电功能的超级电容器是一种强大的储能设备，在智能电子领域获得了广泛认可。它们为利用可持续的太阳能提供了一种非常有吸引力的方法。考虑到气候变化和环境污染等全球性问题，有必要开发和设计材料来解决能源问题和环境危害。化石燃料的过度使用导致了它们的持续枯竭和二氧化碳排放的增加，这是导致全球变暖的主要因素。因此，包括生物质、风能、太阳能和海洋能在内的可再生能源如今正受到极大的关注。可再生能源可以作为高性能储能设备的基础，对全球变暖的影响最小。超级电容器因其通过电化学机制进行储能而被称为高功率储能设备。
电化学电容器或超级电容器的快速充放电、长循环寿命（是电池的2-3倍）、高可靠性和高功率密度（是电池的1-2倍），使其成为近年来有前景的设备。超级电容器的循环寿命优势取决于所使用的具体电池化学成分。与许多传统电池（如锂离子电池，其循环寿命通常在500-3000次之间，具体取决于操作条件和材料系统）相比，超级电容器的循环寿命显著更长（通常超过10^5到10^6次）。
最近，科学家们一直在研究制造光充电超级电容器，这促进了可再生能源的先进利用。ZnO、V2O5、TiO2和有机卤化物钙钛矿等光响应材料是一些用于制造光充电超级电容器的有前景的元素。之前已有报道将太阳能电池和超级电容器结合使用，其中太阳能电池为超级电容器提供能量作为集成能源。在一个基于聚丙烯卷的超级电容器和基于钙钛矿的太阳能电池的集成研究中，他们的电源组合展示了10%的太阳能电池效率，这明显高于大多数其他混合系统。然而，超级电容器与太阳能电池之间的设备尺寸比例仍然较大。因此，自充电超级电容器受到了广泛关注。
2.2 高性能光超级电容器的制造技术
已经探索了多种类型的化合物作为超级电容器电极，如过渡金属氧化物/氢氧化物、碳基化合物和导电聚合物。与单一过渡金属氧化物/氢氧化物相比，二元金属氧化物/氢氧化物由于其高电导率和多种氧化态而表现出更优越的电化学性能。到目前为止，不同的层状双氢氧化物（LDH）纳米结构和二元金属氧化物/氢氧化物已被记录为有前景的电活性材料。在这些元素中，基于NiCo氧化物/氢氧化物的纳米结构因其多种优势而被认为是有吸引力的电活性材料，包括高氧化还原活性、灵活的离子交换性、低成本和地球丰富性。
具有较高氧化态的材料在提高超级电容器的电化学性能方面起着重要作用。此外，这些材料具有多个氧化还原活性位点，有助于在充放电过程中进行可逆的法拉第反应。在基于硒化铈的电极中，铈的不同氧化态的存在导致了更高的电化学活性和改善的电子转移动力学。这种行为反过来增强了电荷存储能力和能量密度。重要的是，具有较高氧化态的材料提高了电极结构内的电导率和离子扩散能力，从而即使在机械变形下也能保持稳定运行。最后，使用具有较高氧化态的材料是制造适用于可穿戴和便携式电子设备的固态、柔性、高性能超级电容器的有前景的方法。
Ni和Co离子具有相似的潜在窗口。Ni和Co离子的共存也在电极内提供了许多氧化还原反应，从而增强了它们的电化学活性。另一方面，CoOOH具有更高的导电性，提高了电化学过程中的活性材料的整体导电性。NiCo氢氧化物/氧化物纳米片（NSs）与其他纳米结构相比具有有前景的电化学性能，因为它们具有高比表面积和相互连接的排列，有助于与电解质离子的有效接触，从而实现可逆和快速的法拉第反应。可以使用多种生长方法来开发NiCo纳米结构，例如电沉积、水热合成、化学浴沉积、溶胶-热法合成和微波辅助合成。
尽管所有这些方法都很重要，但电沉积过程特别有吸引力，因为它减少了多个导电基材的需求，并且可以在短时间内在低温下沉积纳米结构。此外，由于其优越的物理和化学性质，TiO2纳米结构也受到了长期研究。特别是高度有序的一维TiO2纳米管（TNs）可以为电子沿纳米管轴的传输提供连续路径，减少了整个纳米管框架中的电解质离子传输距离。TiO2纳米管（TNs）的独特纳米结构也有助于离子扩散和电荷传输的高效路径。最近，TNs被探索为有效的电极支架，可以增强超级电容器、光催化剂、传感器、锂离子电池和光伏电池中各种纳米材料的电化学性能。目前，已经采用了几种方法来制备TNs，如水热/溶胶-热法、模板辅助方法、阳极化和溶胶-凝胶方法。
钛阳极化用于制备TNs具有几个优势。例如，阳极化的TNs可以垂直生长在Ti基底上。与粉末状活性化合物不同，它们可以直接作为超级电容器电极使用，而无需粘合剂，因为Ti金属基底可以用作电流收集器。然而，TNs通常具有缺点，包括由于宽带隙（3.2 eV）而导致的低比电容（<1 mF cm−2）、低电化学活性和低导电性（10^−9 S cm−1）。因此，已经采用了多种方法来解决这些问题，包括用氮、金属离子或石墨烯修饰；在H2气氛中退火；掺杂；电化学还原；装饰；电沉积；以及负载。
此外，制造技术在决定光超级电容器的电化学和光电化学性能方面起着重要作用。最先进的制造原理依赖于最大化电荷传输路径、光吸收、界面接触和电极形态。在这些方法中，原位和无粘合剂生长策略最为有用，因为它们可以减少内部电阻并提高电导率，而不抑制活性表面位点。此外，电沉积仍然是最有成果的制造方法之一，因为它可以精确控制形态、组成和厚度，从而能够在导电基底上直接形成均匀的纳米结构电极。
此外，这种方法特别适用于制造基于NiCo化合物的异质结构光电电极，这些电极沉积在导电碳平台或TiO2纳米管上，可以促进高光诱导的电荷分离率并最小化复合损失。具有高光收集特性的晶体和层次多孔纳米结构通常通过溶胶-热法和水热法制备。此外，这些方法能够形成复杂的架构，包括中空结构、纳米片和纳米花，这可以增强电解质的可访问性，同时减少离子扩散路径。溶胶-凝胶和化学浴沉积技术提供了可扩展和低成本的途径来制备具有可定制电化学和光学特性的光活性薄膜。
最后，最近的研究还旨在整合一体化设备制造方法，将储能电极和光电电极集成到一个平台上。此外，它们提高了结构稳定性和光充电性能，因此可以用于可穿戴和自供电的能源系统。通过精确控制制造过程，也可以实现可扩展、灵活和高性能的光超级电容器。
2.3 本综述的目的和范围
本综述旨在提供一个全面的理解：光辅助可充电超级电容器（PSCs）作为一种新的混合储能系统类别，它结合了电化学储能和光收集功能。本文描述了光活性和光热纳米材料的最新发展，它们在提高PSCs的性能、转换效率和稳定性方面的关键作用，以及用于生产它们的方法。本文重点介绍了光诱导的电荷生成、存储和转移的基本机制，以及从材料-结构-性质相关性中获得的见解。研究范围涵盖了材料设计和设备架构，旨在实现基于NiCo纳米结构的过渡金属氢氧化物/氧化物、TiO2纳米管和碳基材料，以实现循环稳定性和高能量密度。电极的电化学和形态特性受到制造方法的影响，包括电沉积、阳极化和水热合成。相反，界面工程障碍、低光响应效率和可扩展性也进行了详细讨论。这项研究为未来关于自充电、环保和高性能超级电容器机制的研究提供了见解。这可以促进新一代便携式和智能能源设备的发展。最近的研究表明，光辅助和太阳能充电超级电容器有了显著改进，重点是结合光收集和储能功能。现有研究展示了在太阳能充电和光辅助可充电超级电容器方面的显著创新，主要集中在统一储能和光收集功能上。
本综述展示了光辅助不对称超级电容器的最新发展，这些超级电容器具有嵌入的CuCo2S4和ZnCo2O4电极，在表面修饰后表现出改进的能量密度和电容，这是由于形成了有效的电荷传输系统。研究人员观察到，微球结构的MnO–Mn3O4/碳复合电极展示了21.6%的光到电荷转换效率。室内光超级电容器的运行需要具有强可见光吸收和窄带隙的材料，因为人造照明（例如荧光灯、LED）的光谱比阳光更窄且较弱。因此，材料需要在低强度室内照明下表现出低复合率、高效的载流子分离和更高的吸收系数，以保持光充电效率，与宽带AM1.5G太阳能条件相比。这导致了对室内光驱动存储系统的兴趣显著增加。另一方面，新兴的综述研究了基于光活性钙钛矿的混合能源设备的有效性。它们可以提供增强的光响应性，但在界面退化和长期稳定性方面面临挑战。总体而言，现有结果表明，向一体化、统一设备架构的转变正在发生，其中电化学过程和光转换协同增强了整体能源存储效率。本综述通过对同行评审的专利、综述文章和其他工作的结构解释成为可能，这些工作还有助于识别研究空白，突出设备架构和材料中的其他有趣创新，并概述了阻碍商业化的关键问题。本综述的下一部分结构如下：第2节涵盖了光辅助可充电超级电容器的基本原理，第3节探讨了材料框架。此外，第4节及后续章节讨论了性能、实际应用和集成，并总结了新兴储能技术的前景。当前综述文章在图1中进行了简要总结。光辅助可充电超级电容器的基础原理
光辅助可充电超级电容器（PSCs）的发展在提高能量存储和自充电能力方面具有巨大潜力。光充电储能设备为直接利用太阳能开辟了新的途径；因此，设计和组装高效的光辅助可充电超级电容器以用于太阳能存储正受到越来越多的关注。此外，光辅助柔性储能系统包括太阳能转换和电化学存储。最近的研究展示了高性能，最大能量密度约为60.9 Wh kg−1，循环稳定性好，电容也得到了提升，使得它们能够应用于自供电和可穿戴系统。然而，在实际应用中，光辅助可充电电池在稳定性、规模化、集成性和转换效率方面仍存在问题。
温度效应在光照条件下对PSCs的性能起着重要作用，这是由于光热效应的影响。此外，光吸收会产生局部加热，这会影响离子迁移率、反应动力学和电解质导电性。适度的温度升高可以增强电荷传输，而过度的加热则会加速界面、电解质和光活性材料的降解，从而降低长期效率和设备稳定性。
研究人员开发了一种显著的光电极辅助非对称超级电容器（ASC），其组装方式独特。类似纳米花的ZnCo2O4（ZCO NF）被设计为正电极，在光照条件下可以提供更高的比电容（1 A g−1时为563 F g−1），而在黑暗条件下为456 F g−1。与此相对应，空心球结构的CuCo2S4（CCS HS）被用作负电极，从而开发出一种能够高效进行光诱导电荷存储的完整ASC架构。这些研究共同强调了通过定制纳米结构来优化电极材料的设计，以最大化超级电容器中的光辅助电化学性能。图1(a)展示了光辅助超级电容器的层状结构，包括FTO基底、聚苯胺层、电解质、Co(OH)2/Ni(OH)2电极和WTiO2光活性层。当WTiO2层受到阳光照射时，光子被吸收，产生电子-空穴对（e−/h+）。这些电荷载体在电极层间移动，导致Co(OH)2/Ni(OH)2电极中的氧化还原反应，从而实现能量的同时收集和存储。图1(b)显示了在不同电流密度（从0.04到0.14 mA cm−2）下，超级电容器在光充电和随后的放电过程中的电压-时间特性。红色曲线表示光照下的电压增加，其余彩色曲线显示了电流密度增加时的放电曲线。电流密度越高，放电速度越快，光辅助充电比无光充电能存储更多的能量。图1(c)比较了在恒定光照、黑暗以及光照-然后-黑暗条件下的光充电行为。蓝色曲线代表光照下的充电，黑色曲线表示黑暗中的充电，而光照-然后-黑暗的充电用红色表示。这项研究表明，由于光子诱导的电荷生成，能量存储得到了提升，并表明PSCs可以成功利用储存的电化学能量进行直接太阳能转换。
光辅助或太阳能可充电超级电容器系统：(a) 设备架构，(b) 在不同电流密度下的光充电和放电性能，以及 (c) 光照与黑暗条件下的充放电比较。经参考文献1许可复制。版权2022，Elsevier B.V. 表1总结了关于PSCs的最新研究，强调了从非对称和混合设计到一体化集成系统的多样性。上述实例说明了所探索的策略在改善电荷传输、整体能量存储效率和光捕获方面的效果。
最近关于光辅助可充电超级电容器的文献分析
作者（年份）
研究重点/主要主题
循环稳定性
光充电/转换效率
比电容
参考文献编号
Dong等人（2023）
光辅助储能原理与展望
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48
Arif等人（2025）
NiCo2S4@Cu2O纳米线异质结构
在5000次循环后保留率约为90%
在光照条件下库仑效率约为128.5%
报告的电极性能为约1620 F g−1
41
Bhattacharjee等人（2025）
关于集成光充电电池-超级电容器的综合综述
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49
Namsheer和Rout（2021）
混合光超级电容器综述
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50
Zhao等人（2023）
光辅助非对称超级电容器
在约5000次循环后保留率约为85–90%
在光照条件下显著增强电荷存储
光电极系统的比电容约为694 F g−1
47
Tuc Altaf等人（2023）
一体化集成光超级电容器
总结的太阳能到存储效率高达约20%
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51
Martinez等人（2023）
系统综述框架（能源材料）
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52
Momeni等人（2023）
基于镍-钴沉积钨掺杂二氧化钛光电极的光辅助可充电超级电容器
在10000次循环后保留率约为94%
在光照条件下电容增加
在光照条件下电容约为955.6 mF cm−2
1
除了非对称ASCs，Arif等人还报道了在铜泡沫上制备无粘合剂的三维NiCo2S4@Cu2O@CF纳米线异质结构作为双功能光电极。在光照条件下，接触电位差从65 mV增加到138 mV，而充放电电容从733.3 mF cm−2提高到1156.7 mF cm−2（在20 mA cm−2电流下）。光照条件下的库仑效率为128.52%，表明有效的光诱导电荷生成。此外，在光辅助储能系统中，由于存在其他光生成的电荷载体，实际效率可能超过100%，这些电荷载体在光照条件下增加了放电容量。此外，光照在这些情况下会在光活性电极中产生额外的空穴和电子，这些参与电化学反应，从而增加了在电化学条件下测量的放电容量。PSC表现出极高的稳定性，超过5000次循环后仍保持电化学稳定性，表明它可以作为长期、高灵敏度的光驱动储能设备使用。
图2(a)展示了Cu2O@CF和NCS@Cu2O@CF光辅助超级电容器电极的制备过程，首先使用铜泡沫（CF），然后生长Cu(OH)2纳米线，经过退火形成Cu2O@CF。随后，通过电化学沉积NCS以获得NCS@Cu2O@CF结构。图2(b)显示了3D NiCo2S4@Cu2O纳米线在铜泡沫上支持下的比电容在5000次充放电循环后的保持情况。该设备保持了出色的稳定性，在光照条件下保留了初始电容的85.0%，在黑暗条件下保留了85.8%，证实了其在光照和黑暗条件下的优异耐用性和一致的电化学性能。插图显示了纳米线的SEM图像。
(a) NCS@Cu2O@CF纳米线异质结构的合成步骤。(b) 在光照和黑暗条件下，基于3D NiCo2S4@Cu2O纳米线的光辅助可充电超级电容器的循环稳定性。经参考文献41许可复制。版权2025，Elsevier。现在，无穷的太阳能已被认为是传统化石能源最基本的替代品。太阳能可以通过太阳能电池捕获，转换为电能，然后储存在电池或超级电容器中。为了实现更高的能量利用效率，整合太阳能存储和转换变得越来越重要。最近的研究表明，光辅助可充电超级电容器结合了工作光电极和对电极，可以形成纳米多孔Cu@Cu2O（NPC@Cu2O）混合阵列电极，从而提高了比电荷容量。这种新颖的纳米多孔/阵列混合结构确保了高效的光照利用，提高了太阳能的利用效率。它在光照条件下的比电容为782 F g−1，比在黑暗条件下高37.9%。
动力学分析和容量增强机制表明，在光照下Cu2O表面产生的空穴作为额外的活性位点，使得质子能够插入Cu2O的晶面中。这些发现因此为直接存储大量太阳能开辟了途径。PSCs的基本原理是，光子在光活性电极中被捕获，产生电子-空穴对，这些电子-空穴对有助于电荷分离和电化学系统中的氧化还原反应。
2.1 光电化学机制
光辅助可充电超级电容器的运作原理是基于在半导体光电极上生成和分离光生电荷载流子的过程来控制其操作。当电子被来自光照的具有足够能量的光子激发到导带时，电子和空穴结合产生电子-空穴对：
光激发
半导体 + ℏν → e− + h+
(1)
光子的能量必须等于或大于半导体的带隙能量：
Eg = ℏν
(2)
激发后，发生有效的电荷分离，电子向导带迁移并传输到外部电路，而空穴向电极-电解质界面移动以参与氧化反应：
eCB− → 外部电路
(3)
hVB+ → 电解质界面
(4)
非对称的、一体化的和串联设计是关键的设备架构，通过使用纳米结构电极来增强光吸收并减少复合。另一方面，ZnCo2O4、NiCo2S4、TiO2和CuCo2S4是促进电荷传输和光捕获的关键材料。密度泛函理论（DFT）是研究电荷传输系统最常用的方法之一。这证明了光生载流子在离子提取/插入中的有效性。尽管有这些优势，PSCs仍面临循环稳定性低、操作退化和光充电效率低等挑战。这导致了混合纳米结构、改进的设备设计以及更实用的离网、自供电材料和系统的持续研究。
在PSCs中，入射光子到电流的转换效率（IPCE）是一个重要参数，它量化了在光电极中生成可用电荷载流子的入射光子的比例。此外，IPCE通常随波长强烈变化，因为半导体光电极根据其光学性质和带隙吸收光。例如，宽带隙材料如ZnO和TiO2主要在紫外区域吸收光，而异质结构或窄带隙材料将吸收扩展到可见光谱。因此，经常应用染料敏化策略和异质结工程来增加PSC系统的光谱响应和光子捕获范围。
入射光子到电流的转换效率（IPCE）可以数学表达如下：
这个参数量化了在光辅助超级电容器系统中入射光子转换为可用电荷载流子的效率。内部量子效率（IQE）量化了最终导致储存电化学电荷的吸收光子的比例。此外，在PSCs中，这个过程涉及多个步骤，如光子吸收、激子生成、在半导体中的电荷传输和分离，以及电荷载流子在电解质-电极界面处的电化学氧化还原反应的参与。此外，由于载流子注入或存储层中的复合不高效，可能会发生损失。因此，导电支架、异质结界面和纳米结构电极被广泛用于提高载流子分离效率，并最大化光生载流子转换为储存的电化学能量的效率。
然而，许多早期的PSC研究是在室内光源或单色光照下评估性能的，这并不能准确反映实际操作条件。因此，最近的研究越来越多地在标准AM1.5G太阳光照下报告设备性能，以提供现实的比较。此外，在这些条件下，集成光电容器设备由于电化学存储过程和光伏转换之间的更好匹配而表现出改进的性能。
当前的研究在光辅助超级电容器系统的整体太阳能到储存能量的转换效率方面取得了显著进展。此外，结合光伏单元和超级电容器的集成光电容器设备在优化架构中实现了超过约20%的转换-存储效率，包括钙钛矿-太阳能电池-超级电容器混合体。
随后，大多数PSC系统在AM1.5G光照下的实际效率通常低于约10–15%，主要是由于光子吸收不匹配、界面电阻、电荷复合以及存储单元和光转换组件之间的能量传输损失。此外，从理论角度来看，上限受到光活性材料的光伏转换效率（例如，单结半导体的Shockley–Queisser极限约为33%）和电化学存储效率的限制。因此，集成PSC系统的理论极限通常估计在约25–30%的整体太阳能到储存能量效率以下，这取决于材料系统和设备架构。
3. 光辅助可充电超级电容器的材料
光辅助可充电超级电容器的性能在很大程度上取决于电极组成、电解质设计和光活性材料之间的同步。优化这些元素提高了电荷分离、光吸收、整体能量存储效率和离子传输。因此，优越的光电化学性能使得在循环条件下具有更长的稳定时间，并且性能持续提升。
3.1 光活性材料
光诱导方法在各种能量转换和存储过程以及光催化过程中的发展日益增多，例如氧演化反应（OER）、氢演化反应（HER）、可充电电池和氧还原反应（ORR），这些方法因其低成本、易于获取和环保性而受到青睐。此外，光超级电容器结合了光伏能量转换和电化学存储。使用光活性材料，包括染料、聚合物和金属氧化物，显著提高了电容和能量转换效率，并促进了在可穿戴设备中的应用前景。65
光照射增强的电容，也称为光辅助可充电超级电容器，已成为一种有前景的能量存储方法。66 这种设备的特点是将光活性特性集成到可用的电容电极材料中，从而加速充电过程或潜在地增强光热或光电导效应。67 此外，异质结构材料的界面工程在增加电极界面处光生载流子的传输和分离方面起着重要作用。这种改进的电荷分离有效地减少了复合损失，并显著提高了PSC的能量存储容量和电化学性能。68 因此，通过纳米结构改善电极内的界面接触和提高光活性特性是实现更高性能的有希望的策略。改善的界面接触和纳米级结构有助于实现最佳带隙，从而促进光生载流子的传输。因此，现阶段有必要研究光活性材料和电极材料的新组合，以更好地理解这些异质结构材料的结构-性能关系。异质催化剂以及光电化学是重要的方法，用于将太阳能转化为化学燃料，通常称为太阳能燃料。69 此外，由于可见光吸收和光活性之间的权衡，设计高效的光活性材料是困难的。宽带隙半导体提供了强大的氧化还原驱动力，但主要吸收紫外线，限制了它们对太阳能的利用。相比之下，窄带隙半导体是可见光吸收体，但缺乏足够的能量来驱动光催化循环中的氧化和还原反应。研究人员可以修改宽带隙材料或构建宽带隙和窄带隙半导体的异质结构复合材料。这些策略提高了光谱灵敏度和光催化活性，并促进了有效的电荷分离。69
在Najafi等人的研究中，70他们制备了几种潜在的CS@TNT、NCS@TNT和NS@TNT光活性电极，用于光充电超级电容器。在光电化学测量中，NCS@TNT-1样品表现出比裸露的NS@TNT、CS@TNT和TNT更高的分离和生成光生电荷的能力。NCS@TNT-1电极在0.7 mA cm−2的电流下显示出超过471.6 mF cm−2的最高电容，这是裸露TNT（44 mF cm−2）的约11倍。NCS@TNT-1电极（作为最佳样品）在光照下的比电容增加了大约两倍，达到955.6 mF cm−2。使用PVA–KOH作为隔膜/电解质，并以NCS@TNT作为电极，制备了三个光充电不对称超级电容器。当受到光照时，所制备超级电容器的比电容增加了1.57倍。该设备在10,000次放电和恒电流充电循环后表现出优异的稳定性，在光照和黑暗条件下的容量保持率分别为94%和87%。70 在光照下，放电时间也显著增加。在上述两种模式中（图3），类型I（图3(A)）代表了最简单的连接方法，可以用于制造各种EES设备和太阳能电池。同样，图3(B)描绘了一个类型II系统，该系统可能更紧密地结合了EES设备和太阳能电池，形成了混合或单片结构。这种配置使得两个单元之间的直接电荷传输成为可能，从而可能提高存储效率和能量转换效率。此外，图3(C)展示了类型I系统的光伏（PV）充电机制。此外，在光照下，太阳能电池的光阳极会产生电子-空穴对。随后，电子（e−）向对电极移动，而空穴（h+）则朝相反方向迁移，使EES单元在充电阶段能够存储能量。之后，在放电过程中，EES单元将存储的能量传输到外部电路。此外，图3(D)展示了典型的类型II系统的光电化学（PEC）充电系统。在这里，光吸收在光电电极界面引发同时发生的还原和氧化反应。产生的电子和空穴在EES单元的阳极和阴极进行氧化还原反应，从而实现有效的能量存储。在充电期间存储的化学能量可以在放电期间转换回电能（表2）。图3
图3展示了光充电混合设备中的集成模式示意图：(A) 类型I和(B) 类型II配置。(C) 光伏充电和(D) 光电化学充电集成设备的充电和放电机制。EES表示电化学能量存储；PEC表示光电化学；PV表示光伏。复制自Wiley-VCH的参考文献10。经参考文献10许可复制。版权所有2021年，温州大学和John Wiley & Sons Australia, Ltd。表2
类型I和类型II集成模式在整体效率损失方面的定量比较
参数
类型I集成（光伏充电）
类型II集成（光电化学充电）
能量转换路径
光伏电池 → 外部电路 → 超级电容器
直接光电电极 → 电化学存储
电荷传输
间接
直接
设备复杂性
更高
更低
光辅助可充电超级电容器，特别是基于NCS@TNT的电极，在光照下表现出显著增强的电荷生成、分离和存储能力。改进的界面工程和纳米结构优化了光载流子的传输，从而提高了电容、延长了放电时间，并具有出色的循环稳定性，突显了它们在高效、可持续和便携式太阳能存储应用中的潜力。除了传统的硫化物和金属氧化物外，新的混合光活性材料和半导体异质结构也引起了人们对PSC应用的日益关注。71 此外，宽带隙半导体与窄带隙材料的战略性连接能够实现更广泛的光吸收，并增强光载流子的寿命和迁移性。72 具体来说，p-n异质结和Z型结构已被证明有助于抑制电子-空穴复合并实现定向电荷传输。73 此外，使用导电支架，如石墨烯或碳纳米管，进一步增强了机械稳定性和电导率。74 通过掺杂策略和表面缺陷工程创建的局部能态加速了氧化还原动力学，并促进了可见光的吸收。75 此外，这些材料创新不仅提高了光充电效率，还增强了长期循环稳定性和高倍率性能。因此，混合化和异质结工程继续是高性能光超级电容器的重要贡献者，适用于室内照明或低强度操作，使它们与分布式能源系统和可穿戴电子设备更加相关（表3）。表3
光辅助可充电超级电容器的光活性材料文献矩阵
参考文献 制备/结构
光活性材料/系统
关键性能指标
设备类型
关键发现/贡献
68
界面工程
异质结构光活性材料
改善了载流子分离
PSC电极材料
强调了异质结构界面对于高效光载流子传输的重要性
70
TiO2纳米管上的异质结构
CS@TNT, NCS@TNT, NS@TNT
471.6 mF cm−2（黑暗条件下）；955.6 mF cm−2（光照条件下）；10,000次循环稳定性
光充电超级电容器
NCS@TNT在光照下表现出优越的光生电荷分离能力和约2倍的电容增加
50
纳米结构材料
混合半导体复合材料
增强了光吸收
PSC系统
展示了更宽的光谱响应，提高了光充电效率
72
半导体异质结
p–n结/Z型结构
减少了复合损失
光辅助设备
改善了定向电子-空穴传输和电荷存储
74
导电复合结构
石墨烯/碳纳米管混合支架
提高了导电率和稳定性
PSC电极
碳框架增强了电子传输和结构耐用性
75
缺陷工程材料
掺杂半导体
加快了氧化还原动力学
光超级电容器
表面缺陷和掺杂改善了可见光吸收和电化学活性
3.2 电极材料
这些平台的关键特性和动态应用已经通过光充电储能模块得以实现。特别是，太阳能的间歇性要求结合不同类型的储能系统，主要是超级电容器（SCs）和电池。76 光敏电极在光照下用于大面积光充电储能系统时，可以增强电化学性能。77,78 然而，这些方法面临一些限制和重大挑战。为了克服储能设备和太阳能电池模块之间能量传输过程中的能量损失，最近的研究集中在开发同时集成储能功能和光收集的单个设备上。50,79 为了进一步解决将光伏电池模块与储能组件连接起来的限制，最近的研究集中在创建同时结合光收集和存储功能的单个设备上。50
Liu等人80研究了用于SCs和二次电池的重质量负载电极。他们探讨了重质量负载对先进二次电池的影响，包括锂离子电池（LIBs）、钠离子电池（SIBs）、锂空气电池（LABs）、镁离子电池、锌离子电池、钙离子电池、铝离子电池、钾离子电池和SCs。LABs被引入作为LIBs的替代品。此外，LABs有时被称为非水电池。LABs通过Li金属与空气中的O2反应，在放电过程中在正电极表面形成过氧化锂（Li2O2）。81 此外，阴极表面O2气体的还原产生电流。在这些设备中，特别是在超级电容器中，人们致力于设计在光照下具有增强电容性能的光敏电极。这些策略的例子包括使用V2O5激活碳电极的Zn离子电容器、基于ZnO纳米片/rGO的太阳能辅助超级电容器，以及使用ZnCo2O4或CuCo2S4的光辅助不对称超级电容器等。这些系统存在概念和实际困难，包括有限的光吸收、无效的光响应、较差的电化学功能和稳定性。82 能量密度的降低是它们实际应用于为先进电子设备供电的最大挑战。为了解决这个问题，研究主要集中在通过传统合成方法开发具有高电化学性能的电极材料上，如原子掺杂、形态控制和与其他活性物质的混合。83
图4(a)展示了一个光充电超级电容器设备。它使用安装在装有含有光敏分子2-硝基苯甲醛的水性电解质的透明容器（比色皿）内的活性炭电极。太阳能模拟器将光线导向电池，通过引发电解质内的光化学反应来充电设备。铜带将电极连接到外部电压表，从而能够监测电池电压。这种设置结合了光收集和存储。图4
(a) 光充电超级电容器设计。经参考文献82许可复制。版权所有2025年，Wiley-VCH。(b) 具有双组分光敏（CuxO）和伪电容（NiO）的多层多孔光电电极展示了增强的光辅助超级电容器性能。经参考文献83许可复制。版权所有2023年，Elsevier B.V. 在图4(b)中，步骤I涉及CuxO纳米线吸收光，生成电子-空穴对。在步骤II中，生成的电子向NiO表面迁移，而空穴向外移动。NiO的集成提供了额外的伪电容，从而在光照下显示出更高的电容和光电流密度（见图4(b)）。电极在光照下的比电容更高（光增强效应），但随着电流密度的增加而降低。光电流密度是稳定且可逆的，随着光强度的增加而增加。图5(a)和(b)示意性地区分了双层电容器（EDLC）和伪电容器。在EDLC（左）中，离子通过物理吸附/脱附存储在电极-电解质界面。相比之下，在伪电容器（右）中，存储机制是可逆的，涉及电极表面的快速法拉第氧化还原反应，通常伴随着离子插层/脱层，这使得电容器具有更大的比电容。图5(c)展示了广泛的两维（2D）纳米材料家族，如石墨烯、过渡金属硫属化合物（TMDs）和金属氧化物，这些材料由于其高表面积和良好的导电性而被广泛研究为高性能超级电容器的优秀电极材料。图5
(a)和(b) EDLC和伪电容器的示意图。经参考文献84许可复制。版权所有2017年，Elsevier B.V。(c) 说明了在超级电容器中作为电极材料的各种类型二维纳米材料。经参考文献85许可复制。版权所有2021年，Elsevier。为了进一步解释基于过渡金属的电极中的法拉第电荷存储机制，电极表面发生的氧化还原反应可以表示如下：
Ni(OH)2 + OH− ↔ NiOOH + H2O + e−
Co(OH)2 + OH− ↔ CoOOH + H2O + e−
这些可逆的氧化还原反应通过促进电极-电解质界面处的快速电子传输和离子扩散，显著贡献了伪电容，从而增强了光辅助充电超级电容器的整体能量存储性能。近期研究发现表明，光照射，特别是阳光，对光敏电极材料而言，可以成为提升其能量存储能力的一种新方法，这在光辅助或光充电能量存储领域引起了极大的兴趣。这一新策略将使能量生产和存储组件能够结合到一个设备中，显著减小能量存储系统的体积。
主要结论是，光可充电能量存储是一个关键方向，其中分离的太阳能电池和存储电池被集成设备所取代。这种方法针对的是光辅助可充电超级电容器，它们利用光活性电极（例如过渡金属氧化物）来增强对光照射的容量和响应，简化了能量系统，并缓解了能量密度低的问题（表4）。
关于光辅助能量存储系统和电极策略的文献矩阵
作者/参考文献 光活性/电极材料
能量存储系统
关键性能/作用
设备配置
限制/挑战
76
超级电容器 + 电池
混合能量存储模块
解决太阳能的间歇性问题
集成可再生能源存储
需要多个存储系统
77 和 78
光敏电极
光可充电超级电容器
在光照下改善电化学性能
光响应电极系统
在弱光下的效率有限
79
光活性电极 + 存储单元
集成光存储设备
减少能量传输过程中的损失
单设备架构
复杂的集成设计
82
ZnO纳米片/rGO
太阳能辅助超级电容器
增强光吸收和电荷存储
混合PSC系统
稳定性和光响应问题
83
掺杂和杂化材料
先进PSC电极
改善电化学性能
纳米结构电极
复杂的合成路线
3.3
电解质
通过添加溴离子，并结合适当的支撑电解质，可以提高光辅助可充电锌离子混合超级电容器的电容。最受欢迎的水基电解质包括水基氢氧化物，因为它们具有高离子导电性和低成本。基于离子液体的电解质特别适用于高温下的能量存储应用，因为它们具有低挥发性、高热稳定性、不可燃性和低压蒸发性。电双层电容器（EDLCs）通过离子在电极界面处的吸附来存储电荷，而不是通过氧化还原反应，因此与其他能量存储系统相比，它们表现出更好的循环稳定性和更长的使用寿命。EDLCs的性能受到电极表面积、离子大小、电解质粘度、离子导电性等参数的影响。由于碳电极材料与其他材料相比具有较高的表面积，因此在EDLCs中占据主导地位。它们的电容取决于电极材料的表面积、多孔结构和碳组成。基于EDLC的超级电容器具有优势，因为它们不会发生相变，不像电池。在电极表面层面，已经开发出几种模型和理论来解释电解质离子的相互作用，从而在界面处形成双层，如先前研究所建议的。
水溶液中的锌溴化物（Zn2-Br2）电池因其固有的安全性、高理论容量和高放电电压而备受关注。然而，溴化物转化载体的效率受到多溴化物穿梭效应和缓慢氧化还原过程的显著影响。这些电池包含一个通过外部储液罐不断在电解质隔室中循环的水基锌溴化物（ZnBr2）电解质溶液。此外，Zn–Br2电解质和氧化还原介导的系统被讨论为能够增加光照下离子导电性和电荷存储的代表性例子。这些系统还为离子传输机制、氧化还原介导和电解质设计策略提供了宝贵的见解，这些也适用于PSC架构。控制Zn–Br2系统的电化学反应可以表示如下：
Zn2+ + 2e− ↔ Zn
2Br− ↔ Br2 + 2e−
这些可逆的氧化还原反应通过离子转化促进电荷存储，从而提高光辅助能量存储系统的电容和电化学性能。当电池充电时，水中的锌离子穿过膜到达阳极/阳极液侧，并被还原为金属锌，如上述方程式所示。金属锌直接从液相沉积到固体电极（基于碳的）上。同时，水中的溴离子在电池的阴极/阴极液界面被氧化为液态溴。这些解决方案的一个例子是使用二元氧化还原物种作为电解质，这确保了更好的离子导电性和更宽的电化学窗口，以及锌阳极的更长寿命。除了这个优势，这些系统还提供了一种创新的能量转换和存储设备方法，包括使用双作用电极开发紧凑的直接阳光存储设备。光下光活性电解质的存储是一个新颖且有前景的概念，可以在光充电设备、太阳能收集和存储方面创造新的机会。设备中的电解质是一种小分子2-硝基苯甲醛，它在光照下会发生化学变化，生成光酸物种。光酸在光激发状态下的解离度大于基态。
图6(A–C)展示了光酸-电解质超级电容器的实际应用过程，分为三个阶段。我们在实验中连接了五个设备（左下角的图示）以产生足够的电压来激活发光二极管（LED）。在最初的3小时光激活后，设备以1 A的电流充电，并在白光（70 mW cm−2）下继续充电（第一步）。结果，如图6(A)所示，通过连接到超级电容器的白光LED终止了充电。在第二步中，如图6(B)所示，通过连接组装好的设备打开了LED。之后，在关闭光照后，LED的发光持续了大约2分钟，如图6(C)的第三步所示；这导致了“光可充电超级电容器”的高能量输出。另一方面，图6(D)突出了依赖传统电解质的超级电容器的性能限制。由于它们的循环寿命短、电化学窗口窄和能量密度低，有机和水基电解质的性能较差。相比之下，基于离子液体的电解质提供了较长的循环寿命、宽的电化学窗口、更高的能量密度和电容以及更高的热稳定性，突显了它们在高性能设备中的优越性。
(A–C) 光酸-电解质超级电容器的实际应用。经参考文献82许可复制。版权2025，Wiley-VCH。(D) 水基和有机电解质与基于离子液体的电解质。经参考文献88许可复制。版权2024，美国化学学会。光可充电设备并非不受安全问题的影响，特别是关于电解质在连续光照下的光稳定性。此外，长期光照可能导致电解质分解、pH值变化或产生降解电极材料的活性物种。因此，为了确保光辅助能量存储系统中的长期运行稳定性、电化学稳定性和设备安全性，需要化学稳定的、光惰性的电解质和坚固的封装方法。超级电容器的创新集中在光辅助充电和电解质优化上，这在本节中进行了讨论。使用离子液体解决了水基和有机电解质的限制，提供了更大的稳定性、更宽的电化学窗口和更高的能量密度。此外，开发了基于光酸的光活性电解质，例如那些基于光酸的电解质，能够在单个设备中直接收集和存储太阳能，如一个超级电容器阵列在光照后仍能保持供电一段时间，这突显了紧凑、高效的光可充电系统的潜力。溴离子与合适的支撑电解质结合使用，可以增加光辅助可充电锌离子混合超级电容器的电容。最受欢迎的水基电解质因其高离子导电性和低成本而受到青睐。基于离子液体的电解质特别适用于高温能量存储应用，因为它们具有低挥发性、高热稳定性、不可燃性和低压蒸发。板状电双层电容器（EDLCs）通过离子在电极界面处的吸附来存储电荷，而不是通过氧化还原过程，因此可以提供比其他能量存储技术更高的循环稳定性和循环寿命。EDLC的方程式如下：
此外，用于PSC的电解质表现出高的光化学稳定性，防止在连续光照下的降解。此外，光照诱导的电解质物种中的光化学反应可能导致不希望的副反应或分解产物，从而降低长期稳定性和设备效率。因此，通常更倾向于使用凝胶聚合物电解质和稳定的水基电解质（例如Na2SO4和KOH），因为它们具有抗光降解性。
此外，电解质的光学透明度在PSC设备中很重要，因为电解质对光的吸收会减少到达光敏电极的光量。此外，高透明度的电解质可以减少光子损失，从而有效地激发半导体光电电极，从而提高整体光充电效率。此外，含有氧化还原介质（例如三碘化物/碘化物或醌基系统）的电解质有助于存储层和光电电极之间的光生电荷传输。此外，必须仔细控制它们的光化学稳定性，因为光照下的不希望的副反应或介质降解会限制长期循环性能。在发生光热效应的PSC系统中，光照下的局部加热会增加电解质内的扩散和离子导电性。这加速了离子传输并减少了内部电阻，从而提高了充放电动力学。同样，电解质pH值在电极-电解质界面处的半导体稳定性中也起着重要作用。例如，ZnO和Cu2O等材料在强碱性或酸性环境中可能会发生表面降解或溶解。因此，选择具有适当pH值和缓冲能力的电解质对于在长期运行中保持稳定的光电电极性能是必要的。电解质需要在可见光谱区域内表现出高光学透明度，以减少寄生光吸收并确保埋藏的光敏电极的有效光照。此外，准固态凝胶电解质和透明水基电解质特别有利，因为它们能够使光子最大限度地穿透到光电电极表面，从而提高光载流子的生成和整体光充电效率。
表5
关于光辅助可充电超级电容器中的电解质系统和电荷存储机制的文献矩阵
参考文献 电解质/材料
系统/设备类型
关键优势
电荷存储机制
限制/挑战
74
水基Zn–Br2电解质
Zn–Br2电池系统
高理论容量和放电电压
Zn2+/Br−的氧化还原反应
穿梭效应和缓慢的氧化还原动力学
77
二元氧化还原电解质物种
混合电化学存储设备
改善的Zn阳极寿命和导电性
增强的电化学窗口
复杂的电解质管理
86
含碳电极的水基电解质
电双层电容器（EDLCs）
长循环寿命和高稳定性
电极界面处的离子吸附（EDL形成）
与电池相比能量密度较低
87
多溴化物电解质
Zn–Br能量存储系统
改善的离子导电性
溴化物氧化还原转化
多溴化物穿梭效应
50
带有支撑水基电解质的溴离子
光辅助Zn离子混合超级电容器
增加的电容和改善的离子导电性
氧化还原辅助的电荷存储
电解质稳定性问题
4. 集成和设备工程
具有混合特性的太阳能辅助电池与超级电容器相比，也展示了高能量密度。设备工程和集成通过优化接口、制造和架构，将材料进步转化为可操作的超级电容器（PSC）基础设施；因此，光驱动的电荷生成可以有效地转化为存储的电化学能量。这一成就需要整体设计光电电极组装、设备几何形状、电流收集器、电解质/界面化学和封装，以减少传输、存储和电荷分离过程中的电气和光学损失。
4.1
架构策略
PSC架构通常可以分为三类：串联系统（由离散的光伏（PV）单元充电的传统超级电容器）；“一体式”或集成设备（其中存储层和光收集集成到一个堆栈中）；以及非对称设计（其中一个电极是光活性的，而另一个电极仅针对电荷存储进行优化）。一体式集成设计可以简化封装并减少界面接触损失；然而，它们需要更精确的界面工程和能带对齐，以防止载流子损失和快速复合。此外，一体式集成设计通过将能量存储和光收集结合在一个设备中，提供了紧凑的结构、改善的电荷传输和减少的布线损失。此外，它们需要能带对齐和精确的界面。除此之外，串联配置提供了更高的单个组件效率和灵活性，但设备尺寸较大，能量损失增加，以及连接电阻增加。
图7展示了一个双功能光超级电容器，其中超级电容器和太阳能电池被集成到一个设备中。在这种架构中，使用了PEDOP@MnO2和TiO2/hb/CDs电极来高效存储和转换太阳能为电能。在光照下，这种配置提供了稳定的电压输出，展示了直接的太阳能到电荷的能量转换（表6）。图7
新设计的双功能光超级电容器示意图，该电容器集成了太阳能转换和电荷存储功能。经参考文献64许可复制。版权所有2018年，美国化学学会。表6
不同光辅助超级电容器（PSC）架构的系统性比较
参考文献 架构类型 光充电/转换效率 结构描述 能量密度 制造复杂性 循环稳定性 主要限制 主要优势
Flores-Diaz等人105
串联PSC（光伏+超级电容器） 总体太阳能到存储效率5.26–11.5% 光伏电池和超级电容器通过外部电路作为独立单元连接 通常为5–20 Wh kg−1，取决于超级电容器单元 中等 在许多超级电容器系统中，经过5000次循环后仍保持90%以上 能量在模块间传输时会有损失 设计简单；光伏和超级电容器单元可以独立优化
Pandit等人17
一体化/单片PSC 光伏转换-存储效率高达20.53% 光伏和存储组件集成到单个设备堆栈中 集成设备的面积能量密度约为6.85 µWh cm−2 高 经过数千次循环后仍能稳定运行 接口工程和能带对齐复杂 内部电阻降低，设备结构紧凑
Tuc Altaf等人51
不对称光超级电容器 在光照下电容提高30–100% 一个电极具有光活性，而另一个电极则优化用于电荷存储 对于不对称PSC系统，报告的容量保持率为80–90% 在5000次循环后
4.2 光电极工程
同时，光电极必须表现出强大的太阳光吸收能力、有利于电荷分离的能量带位置，以及与存储层的便捷电子耦合或电化学活性。这意味着需要核心-壳层纳米结构、三维架构（纳米片、多孔支架和纳米线）以及异质结形成（例如氧化物-碳或氧化物-硫化物结），这些都有助于增加活性表面积并增强光散射。这些纳米结构化的电极能够增强光电流收集，并为离子提供扩散路径，从而提高光增强速率能力和电容。图8展示了半导体-电解质界面处的能带对齐和光电化学机制。在光照下，电子被激发到导带，产生电子-空穴对，驱动氧化还原反应。此外，有效的能带对齐有助于电荷分离并减少复合损失。比较结果表明，在光照下光电流得到增强，表明光辅助超级电容器系统的能量存储性能和电荷传输得到改善。
图8展示了光辅助电极（半导体-电解质界面）的能带图和光电化学机制。经参考文献108许可复制。版权所有2019年，美国化学学会。图9说明了电化学系统中的两种主要电荷存储机制：电容性和法拉第过程。在电容性存储中，电荷通过电极-电解质界面的静电吸附积累，不涉及电荷转移反应，从而实现快速且可逆的能量存储。相比之下，法拉第存储涉及电极表面的氧化还原反应。当离子传输速度慢于反应速率时，过程受到扩散限制；而在伪电容行为中，快速的表面反应占主导地位，不受离子扩散的限制，从而提高电荷存储动力学。
4.3 接口和能带对齐控制
在光活性/电解质界面最小化复合至关重要。工程师通过表面处理、引入中间层（超薄金属氧化物、导电碳或有机连接剂）和掺杂来调节能带偏移，以创建有利于载流子分离的内置电位场。导电添加剂，包括碳纳米管（CNTs）、MXenes或石墨烯，通常被纳入几种高性能设计中，光活性相被设计为利用渗透路径来促进电子流动，并在循环过程中缓冲体积/机械变化。
4.4 电解质和氧化还原介质设计
PSC中的电解质应促进化学稳定性、在光照下的快速离子传输，以及与光电极的氧化还原化学的兼容性。水性电解质有助于高离子导电性，尽管它们的电压窗口有限。相比之下，准固态凝胶电解质和离子液体拓宽了电压窗口并延长了设备寿命。氧化还原介质（例如喹啉和碘化物/三碘化物）可以传递光生成的电荷并放大光到电荷的转换效率；然而，必须设计介质在循环过程中的稳定性，以克服寄生反应。
4.5 电流收集器、透明度和光管理
透明导电基板（ITO、FTO和PEDOT:PSS在PET上）使得研究埋藏的光活性层成为可能，并且常用于集成PSC中。然而，这些基板在光学透射率和片电阻之间引入了权衡。设备工程通过使用薄金属网格、超薄金属氧化物电极或图案化收集器来平衡透明度和导电性。此外，包括纹理表面、光捕获结构和抗反射涂层在内的光学管理，可以在不牺牲活性面积的情况下增强光子吸收。
4.6 热稳定性和稳定性工程
连续运行会加速退化并引起热应力（特别是在某些钙钛矿和有机材料中）。热扩散层、紫外线过滤器、选择热稳定的光活性材料以及封装是用于提高长期稳定性的工程策略。柔性设备需要凝胶电解质和可拉伸电流收集器，以在弯曲循环期间保持离子接触。
图12展示了与光辅助可充电超级电容器相关的关键半导体光电化学概念。图12(a)显示了平带电位，它指示了控制电荷传输的平衡能级对齐。图12(b)展示了在光照下的准费米能级分裂，代表了光生成的载流子积累，这驱动了光诱导的电化学反应。随后，通过实施坚固的纳米结构架构和基于碳的导电支架，可以提高结构稳定性并抑制光诱导的降解。
4.7 制造与可扩展性
为了使光敏超级电容器（PSCs）从概念验证阶段过渡到可扩展的制造，可以采用可扩展的制造方法（筛网/喷墨打印、喷涂涂层、电沉积和卷对卷沉积）在柔性基底上沉积存储层和光活性层。光敏超级电容器和其他光驱动的能量存储设备由于其同时转换和存储太阳能的能力，在智能电子领域具有巨大潜力。新的趋势表明，它们变得更加灵活、节能，并且更容易制造，可以用于下一代便携式电源系统和可穿戴设备。确保在大面积上具有均匀的电化学和光学特性以及良好的附着力已成为一个重要的工程问题。此外，对于柔性及可穿戴应用来说，成本效益高的材料和低温处理尤为重要。
4.8 性能优化与诊断
实验优化与原位诊断和建模（瞬态光电流/光电压映射、操作光谱学和光电化学阻抗光谱学）相结合，用于设备工程中识别离子瓶颈、降解途径和复合位点。定量值，如光增强电容、光到存储能量的效率、重复光充电循环寿命以及光下的库仑效率，指导设计解决方案。PSC技术仍然主要处于实验室规模，因此精确的单位能量成本估计仍然有限。此外，由于复杂的纳米材料集成和合成步骤，PSC系统的成本较高。相比之下，传统的太阳能电池-超级电容器串联系统通常受益于成熟的、成本较低的制造工艺。通过可扩展的制造方法（包括电沉积和打印）以及使用地球上丰富的材料，预计未来PSC的成本将会降低，这可能提高其在可穿戴和分布式能源系统中的经济竞争力。
4.9 前景与瓶颈
光辅助可充电超级电容器需要有效整合光响应、电荷存储密度和循环稳定性，这些特性往往相互矛盾；例如，增强的光吸收可以增加离子传输。因此，稳定的宽带光吸收剂、具有低界面复合的稳定异质结、标准化的光充电测量系统以及廉价且可扩展的制造方法是关键的研究重点。纳米尺度上的性能依赖于纳米尺度界面工程、优化的设备设计、改进的电解质以及可制造的设计，以保证光生电荷载流子的有效存储和利用。机器学习（ML）和人工智能（AI）的最新进展为加速光辅助能量存储系统的材料优化和发现开辟了新的机会。ML算法可以分析大量材料属性数据，以预测最佳带隙能量、电荷传输特性和光活性材料的电化学活性。此外，这些计算方法允许快速筛选候选材料，减少传统试错方法相关的成本和时间。随后，AI驱动的建模可以帮助优化纳米结构设计、电极-电解质界面和异质结形成，这对于提高电荷分离效率和光吸收至关重要。因此，AI辅助的材料发现和设备优化预计将在高性能光辅助可充电超级电容器和其他先进能量存储技术的发展中发挥重要作用。
文献矩阵涵盖了光辅助可充电超级电容器中的集成策略和设备工程。
作者/参考文献 关键材料/组件
设备/架构
关键性能贡献
工程策略
限制/挑战
84
PEDOP@MnO2和TiO2/hb/CDs电极
双功能光敏超级电容器
稳定的电压输出和直接太阳能转换
集成太阳能到充电设备
长期光照下的材料稳定性
86
CoCN//CoCN电极
柔性全固态PSC
5000次循环后电容保持率83.3%
光照射增强电容（PIEC）
中等长期稳定性
101
光电电极、电解质和电流收集器
集成PSC架构
改善电荷传输并减少光学/电气损失
优化的设备几何形状和界面
复杂设备优化
107
核壳结构、多孔支架、纳米线
纳米结构PSC电极
增加表面积，增强光电流收集
光电电极工程
复杂制造过程
111
质子化g-C3N4和MXene（Ti3C2Tx）界面
自供电PSC
光照下电容增强约1960%
界面和带对齐工程
界面复合和稳定性
51
光伏模块+超级电容器
太阳能辅助电池/PSC混合体
高能量密度和改善的太阳能利用
混合能量存储集成
光伏和存储模块之间的能量损失
5. 光辅助可充电超级电容器的光物理过程
在光电电极-电解质界面处的光物理过程强烈控制着光辅助可充电超级电容器的性能。吸收的能量超过半导体带隙的光会在光活性材料中产生电子-空穴对或激子。此外，半导体界面处的激子解离过程应高效，以生成可以进行电化学反应的自由电荷载流子。同时，光电电极和电解质之间的异质结工程、带对齐和表面缺陷也显著影响这一过程的效率。电荷载流子的复合是另一个可能降低光充电效率的关键因素。复合通过界面复合、表面陷阱状态或半导体和电解质界面处的体复合来实现。这些途径通常使用时间分辨光谱学（如时间分辨光电流测量、光致发光衰减和瞬态吸收光谱学）进行测量，这些方法提供了关于复合率和载流子寿命的信息。离子传输时间尺度与载流子寿命之间的联系决定了设备是否在真正的光充电模式下运行。值得注意的是，当光充电产生的载流子寿命长于空穴扩散时间时，电子和电解质不仅可以驱动法拉第反应，还可以存储能量。否则，光照主要增加电导率，产生光导效应而不是实际的能量存储。此外，在光照下观察到的性能提升归因于三个过程：光热效应、光导效应和光电容效应。光电容效应涉及光生电荷在氧化还原反应中的直接相互作用。光导效应增加了电极的电导率而不保留额外电荷。同时，光热效应源于光诱导的热量，增强了电解质中的电导率和离子迁移率。然而，必须通过使用电化学阻抗光谱学、时间分辨光谱学和温度控制测量来仔细区分这些机制。
6. 光辅助可充电超级电容器中的载流子注入与复合时间尺度
光辅助可充电超级电容器中的光充电取决于光生载流子注入电化学存储层与载流子复合之间的竞争。使用超快光谱学研究了光活性半导体的载流子注入过程，发现其发生在飞秒-皮秒时间尺度（10^-15至10^-12秒）内，而复合反应则发生在皮秒到纳秒时间尺度内，具体取决于缺陷密度和材料结构。例如，在掺杂TiO2的飞秒瞬态吸收研究中，观察到载流子捕获时间约为1皮秒，这与由缺陷引起的电子捕获状态有关。此外，在半导体异质结中，时间分辨光致发光（TRPL）实验（包括TiO2–MXene系统）表明平均光电子寿命约为3.2纳秒，明显长于原始TiO2的约1.3纳秒，表明复合减少且电荷分离得到改善。同时，TRPL在TiO2/Ag2V4O11异质结构中测量的激子复合动力学表明自由激子复合时间为约1.7纳秒，缺陷介导的复合时间长达约6.8纳秒。这些结果表明，当载流子寿命（纳秒到微秒）超过电化学界面处的离子传输时间时，光生电子可以参与氧化还原反应而不是复合。因此，时间分辨技术（包括瞬态吸收光谱学（TAS）对于量化载流子寿命和验证PSC系统中提出的光充电机制非常重要。
7. 性能分析
本综述总结了当前关于光充电超级电容器的文献，提供了概念和技术概述。相关文献从关键数据库中收集并进行了定性分析，以突出材料、制造策略和设备性能的关键发展。光辅助可充电超级电容器（PSCs）通过不同指标的综合评估展示了其性能参数，如速率能力、比电容（或容量）、光到电荷存储（或光充电）效率、库仑效率、长期循环稳定性和光照下的电压输出。这些指标展示了设备转换和存储太阳能的潜力，以及它们在实际操作条件下的功能。光辅助可充电超级电容器的电化学性能使用关键参数进行评估，包括比电容、能量密度、功率密度和库仑效率。这些参数（比电容（C）、能量密度（E）、功率密度（P）和库仑效率（η）可以表示如下：
其中I是放电电流，Δt是放电时间，ΔV是电位的窗口，V是设备的操作电压。最近的研究报告称，连接到质子化石墨氮化物和MXene（Ti3C2Tx）双极性界面的PSC在420纳米光下的电容增加了1960%，并且在光照下观察到了约270毫伏的光辅助电压，即使在超高扫描速率下也能保持电容行为。这一显著改进显示了合适的电活性界面在光照下放大电荷存储的潜力。关于光增强镁离子电容器（photo-MICs）的研究表明，光照降低了电荷传输电阻（Rtp），从黑暗条件下的约0.69欧姆降低到光照下的约0.20欧姆，并在高电流密度下增强了电容保持率。例如，速率能力从黑暗条件下的约37.5%增加到光照下的约47.2%（在16.2 A g^-1下）。光照下的循环稳定性保持在约82.6%，在约400次循环后仍然稳定，证明了在反复的黑暗/光照条件下的稳定性能。一个由双光电电极（ZnCo2O4纳米花//空心CuCo2S4球）组成的非对称PSC在光照下实现了约60.9 Wh kg^-1的能量密度，而在黑暗条件下为约46.5 Wh kg^-1。文献中也证明了单个电极的比电容在光照下显著增加；例如，正光电电极在黑暗条件下为456 F g^-1，而在光照下为563 F g^-1（在1 A g^-1的测量条件下）。此外，研究中报告的电容值是以重量电容（F g^-1）表示的，这取决于测量条件和电极架构。光照下的循环寿命研究至关重要：例如，基于PPy–V2O5和碲沉积的弹性自供电光敏超级电容器在12000次循环后保持了约92-93%的电容，表明了光诱导的保持能力，而黑暗条件下的电容保持率有所降低（但仍然相当）。最后，光到电荷存储效率已成为低光照或室内条件下的关键指标。在室内照明（1000勒克斯）下，使用染料敏化的光充电非对称超级电容器实现了约21.6%的效率，这是室内光照PSC报告的最高效率。
8. 应用
太阳能收集与PSCs无缝集成，PSCs提供了强大的电化学能量存储能力，并在自供电、便携式和离网系统中具有广泛的潜在和新兴应用。一个值得注意的应用领域是太阳能驱动的非对称能量存储，其中可以使用双光电电极直接生成可用电能。例如，一个PSC在光照下展示了大约60.9 Wh kg^-1的能量密度，使用空心CuCo2S4球作为负电极和ZnCo2O4纳米花作为正电极，其性能优于在黑暗条件下的性能，实现了高效的存储同时捕获太阳能。图16展示了PSCs的可持续使用生态系统，其中光伏单元可以与PSCs一起使用，同时生成和存储太阳能。此外，圆形模型强调了系统集成、性能、组件和材料之间的相互关系，最终实现了可持续应用，如物联网设备、医疗设备、可穿戴电子设备和电动汽车。结合快速充放电性能和光驱动的自充电，PSCs可以提供紧凑、环保的解决方案，以实现离网和分散式能源系统。
图16展示了光辅助可充电超级电容器的可持续应用。经参考文献152许可复制。版权2025，Elsevier。图16强调了重要的电化学过程，如光反应性氧化还原过程、电极-电解质相互作用和离子传输，这些过程决定了设备的操作。此外，研究中的几个未来方向包括可扩展性、材料稳定性、界面电荷复合和光转换效率。接下来，外环指出了未来的工作方向，包括优化的材料工程、集成设备和改进的电极结构。物联网（IoT）和可穿戴电子产品的另一个主要用途是集成式一体化设备。这些设备具有许多优势，包括灵活、光反应性的轻质超级电容器设计，可以收集环境或室内光线。大多数当前的研究进展集中在透明电极、混合材料以及缺陷工程上，这些技术使得这些光充电、柔性的储能单元能够在暴露于光线下时，持续在显示器、无线模块和微型电源传感器上运行。51
有机光伏（PSCs）也被研究用于智能备用电源和能源系统，尤其是在电网供应不稳定的情况下。153 在光照条件下，它们快速的充放电特性使其适用于需要短暂功率的应用，包括远程环境传感器、离网安装或应急照明。48 直接从阳光中获取的储能能力降低了系统的复杂性，并提高了系统的韧性。因此，室内环境光应用开辟了另一个研究领域。101 优化了低光条件的PSCs可以使诸如低功耗显示器、智能家居电子设备和无线传感器等室内设备在室内照明条件下可靠运行，而不仅仅是在阳光充足的情况下。
9. 标准化的性能指标和测试协议
为了在PSC研究中进行有意义的比较，研究社区需要采用与电化学储能和光伏领域相似的标准化测试协议和性能指标。
9.1 标准化指标
研究人员需要一致地报告光增强比电容（mF cm−2 或 F g−1）、光充电效率、库仑效率、功率密度（W kg−1）和能量密度（µWh cm−2 或 Wh kg−1）。154 此外，太阳能到储存能量的转换效率需要定义为储存的电化学能量与入射光能量的比率。155 当使用光电电极时，还应报告光谱指标，包括IPCE和IQE。
9.2 标准测试协议
测量应在正常的“AM1.5G光照（100 mW cm−2）”下进行，以模拟真实的太阳条件。156 光源的光谱、面积和强度应明确界定。此外，电化学测试必须包括控制光照和黑暗条件下的测量，相同的扫描速率或电流密度，以及报告的电解质组成、电极面积和质量负载。
9.3 循环和稳定性协议
同样，光充电和放电需要在周期性光照下进行≥5000次循环的评估，同时监测电容、效率和保持率。10 采用这些测试条件和标准化指标将大大改善PSC研究中的跨研究比较、基准测试和可重复性。
10. 挑战与未来展望
在光辅助可充电超级电容器（PSCs）方面已经取得了显著的进展，但仍存在一些科学和工程问题限制了其规模化应用。最关键的问题是它们的光充电效率低。最广泛使用的光电电极材料，如WO3和TiO2，具有较大的带隙，只能吸收紫外线区域的光，从而限制了它们的总太阳能利用率。窄带隙半导体和异质结可以增强对可见光的响应，但可能会遭受电荷复合或长期稳定性差的问题。101
另一个重大挑战是光电活性组分与电容组分之间的电子和界面电荷传输效率低下。为了实现高效电子传输并最小化能量损耗，需要准确的带对齐和稳健的表面或界面工程技术。51 此外，电解质在光照下的稳定性也是一个问题，因为电解质和电极在长期运行过程中容易发生光诱导的副反应。在技术方面，PSCs的可扩展性和可制造性仍然不成熟。具体来说，它们的制造过程非常复杂，使用的材料价格昂贵，并且缺乏标准化的测试协议，这阻碍了可重复性和跨研究比较。157 这部分是由于缺乏标准化的性能指标，如光充电到能量的转换效率，从而无法进行有意义的基准测试。稳定的混合界面、廉价且环保的材料、可扩展的制造方法以及标准化的评估系统是未来研究应该关注的领域，以使PSCs在现实世界中更加实用。
11. 结论
光辅助可充电超级电容器（PSCs）代表了电化学储能领域的一个新兴趋势，因为它们将光收集和电荷存储集成在一个系统中。本综述介绍了PSCs从原始的混合设计发展到更复杂的非对称和集成设计的过程，以及材料、器件工程和界面设计如何共同控制光增强的电化学活性。通过引入光响应电极，系统中加入了参与氧化还原反应和离子传输的光生成电荷载体，从而改变了电荷存储行为。一体化、非对称和带级对齐的架构可以减少复合损失并提高光能效率。通过开发电解质化学，包括氧化还原活性添加剂和光响应电解质，实现了额外的电压窗口扩展和操作稳定性。理论建模结合原位表征也为理解光诱导的电荷传输过程提供了宝贵的见解。
作者贡献
Chandu V. V. Muralee Gopi：撰写——原始草稿，撰写——审阅与编辑，可视化，研究，数据管理，概念化。R. Ramesh：撰写——审阅与编辑，监督，资金支持。
利益冲突
作者声明没有利益冲突。
数据可用性
本综述没有包含任何原始研究结果、软件或代码，也没有生成或分析任何新数据。
致谢
本工作得到了Adama科学技术大学的支持。参考文献
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