太阳能的有效利用受到许多因素的影响，如时间、气候和地理。此外，目前开发的太阳能电池只能将太阳能转化为瞬时电能，需要配备额外的电池等储能设备来存储转换后的电能，这增加了配置的成本和复杂性。因此，急需将先进的可充电电池与太阳能相结合，开发光电集成概念，以直接转换和储存太阳能。
近日，中国科学院化学研究所李玉良/黄长水团队报道了一类光电耦合太阳能可转换锌-空气电池（SZAB），展示了太阳能在电池中的直接转换和存储。相关成果以“Direct solar energy conversion on zinc-air battery”为题发表于《P. Natl. Acad. Sci. USA》。
研究利用石墨炔独特的半导体性质和优异的光电催化性能，采用结构明确的碳网络氮取代石墨炔（N-GDY）作为多功能电极来实现在锌-空气电池中的太阳能转换。N-GDY可同时充当光电极、析氧反应和氧还原反应的催化剂。光照下，N-GDY通过将光电子高效注入导带，实现光促进充电过程。由于N-GDY高效的载流子分离效率，基于N-GDY的SZAB在光照下显示出1.36V的低充电电压，低于理论电压1.65V，具有90.4%的电池效率，在光照下充电节省了30.3%的电能，并具有1.02%的光电转化效率。
研究还发现光照条件下，负极沉积的锌致密且均匀，循环稳定性明显优于无光照条件。通过有限元分析发现，光照促进了电池中的电流和电解液的均匀分布，有效地抑制了锌枝晶的形成。这为延长电池寿命和实现大电流和高功率的快速充电提供了一种途径。此外，团队基于密度泛函理论计算解释了N-GDY的催化活性起源和光激发的机理。光激发后，电子主要从炔键的π轨道激发到周围单键的σ轨道以及N原子上。激发态的最高占据分子轨道和最低的未占据分子轨道更接近费米能级，导致中间体形成和催化性能得到改善。
该研究不仅提出了一种新型的通过光电耦合实现可直接转换太阳能锌-空气电池的概念，而且通过实验结合模拟和理论计算，为多物理场耦合的多功能电极的开发和理性设计提供了科学依据。这一成果有望为开发下一代多物理场耦合的电化学能源系统的新概念电极开辟一条新的道路，这种新概念电极集成了多种功能，即多物理场一体化，以实现高效利用清洁能源。
图1. N-GDY的形貌和结构表征。
图2. N-GDY的能带结构表征和光电催化性能测试。
图3. SZAB 上直接转换和储存太阳能的性能测试。
图4. 光照对SZAB 运行的影响。
图5. 密度泛函理论计算揭示N-GDY的光激发活性起源。
