全球向可再生能源和可持续能源的转型，迫切需求能够高效采集、存储并以可靠方式输送清洁能源的技术[1][2]。在各种可再生能源中，太阳能因其资源丰富、可再生性强及环境足迹最小等优势脱颖而出，成为未来能源战略的基石。过去数十年来，包括硅基、薄膜、钙钛矿和有机太阳能电池在内的光伏技术，在能量转换效率、成本降低和大规模部署方面取得了显著进展[3]。然而，太阳能光伏技术存在一个关键局限——其发电具有间歇性，因为能量产出直接取决于太阳辐照度，而后者会随昼夜循环、季节变化和天气条件发生波动[4]。为确保稳定供电，光伏系统通常需与外部储能单元（如锂离子电池、钠离子电池或超级电容器）耦合。该配置虽通过储存日照高峰时段产生的过剩电能以供夜间或阴天使用，从而提供时间灵活性，但同时也带来若干挑战[5]。能量收集器与存储装置这两类独立组件的需求增加了系统复杂性，推高了资本成本，并引发能量管理与同步化问题。此外，能量损耗在多个环节均会发生，包括DC-DC转换、存储与释放过程，这些因素共同降低了光伏-电池系统的整体Round效率[6]。与此同时，外部储能单元通常需要占用大量空间、进行定期维护并配备复杂控制电路，使其难以适用于微型化、便携式或离网应用场景[7]。为突破这些限制，新一代太阳能电池已引起广泛关注。这些装置旨在将光伏能量转换与电化学储能整合至单一平台，从而实现太阳能的直接捕获与存储。通过融合光伏学与电化学原理，太阳能电池致力于无需外部储能单元即可提供持续、自持的电力输出[8]。该集成设计不仅降低了系统损耗，同时提升了装置的紧凑性、可扩展性及整体能效。 集成式太阳能收集与存储系统的最新进展展示了一系列旨在提升效率、紧凑性与功能集成的材料平台与器件架构。早期研究主要集中于染料敏化太阳能电池(DSSCs)与基于氧化还原反应的储能单元耦合系统，其中氧化还原电解液同时承担电荷传输与存储介质的双重功能，从而简化了系统架构并验证了光充电行为的可行性[9][10][11][12]。近年来，钙钛矿太阳能电池与锂离子电池、钠离子电池的集成系统因其高功率转换效率和优异的电压匹配特性而备受关注，这种组合无需外部电力电子设备即可实现高效的光诱导充电[13][14][15]。%% 光可充电金属空气电池与混合电池-超级电容器系统的并行发展，通过提供高能量密度和更强的运行灵活性，进一步拓展了集成太阳能电池的应用范围[16][17]。%% %% 纳米结构与低维材料的引入对这些集成系统性能提升起到了关键作用。碳纳米管、石墨烯和还原氧化石墨烯等碳基材料作为导电支架、界面层和集流体被广泛应用，有效改善了电荷分离、抑制了复合损失并增强了机械稳定性[10][18][19][20]。新兴的二维材料，特别是MXenes和过渡金属二硫属化物，因其高导电性、可调控的表面化学特性以及与柔性基底的兼容性而展现出应用潜力，这有助于提升光充电器件的循环稳定性和界面电荷传输性能[21], [22], [23]。金属氧化物（包括TiOZnO和NiO等材料凭借其优异的电荷传输性能，持续作为稳定的光电极和电荷传输层发挥作用。通过纳米棒、介孔薄膜和异质结等纳米结构策略，这些材料的光吸收和载流子动力学特性得到显著提升[24][25][26]。2, ZnO, and NiO, continue to serve as robust photoelectrodes and charge-transport layers, with nanostructuring strategies such as nanorods, mesoporous films, and heterojunctions significantly improving light absorption and carrier dynamics [24], [25], [26]. 除材料创新外，近期研究日益重视先进器件架构，包括串联太阳能-电池配置、单片光充电电池以及具备同步光捕获与储能功能的多功能电极[27][28][29]。这些设计旨在降低内部电阻损耗并提升整体往返效率。与此同时，可规模化制造的解决方案——如溶液加工、喷墨打印、喷涂和卷对卷制造技术——正被积极探索以促进大面积器件生产并降低制造成本[30][31][32]。尽管取得这些鼓舞性进展，仍存在关键性挑战，特别是在长期运行稳定性、光伏与电化学组件界面兼容性、光照与循环条件下材料降解以及标准化测试协议缺失等方面[33][34][35]。应对这些挑战需要采用多学科交叉的研究方法，整合材料科学、纳米技术、电化学与光伏工程等领域的知识，同时结合封装技术、电解质设计和界面工程的突破性进展[11][36]。总体而言，持续探索新型材料、创新结构设计及可规模化制备工艺，对于将集成式太阳能电池从实验室规模示范转化为具有商业可行性且高可靠性的储能技术至关重要。可再生能源技术的快速扩展推动了对集成式太阳能转换与存储系统的深入研究，特别是光伏-电化学（PV–EC）耦合架构。这类技术旨在通过实现直接或近直接能量存储，缓解太阳能发电的间歇性问题。传统光伏系统与外接电池组合常面临多重能量转换损耗、系统复杂性增加及整体成本上升等缺陷，这促使更紧凑高效耦合策略的研发需求日益凸显。 早期对光伏-电化学（PV-EC）系统的研究主要集中于独立提升光伏效率或电化学存储性能，对界面电荷转移损耗和系统级兼容性的考量较为有限。最新研究趋势转向增强光吸收组件与储能电极间的耦合强度，从而实现电荷利用效率的提升与转化步骤的简化。近期综述文献对这些进展进行了全面评估[37]，在肯定集成架构创新成果的同时，也指出能级失配、长期稳定性、规模扩展性及经济可行性等持续存在的挑战。在系统层面，以优化为导向的研究表明，光强、光谱分布和热效应会对耦合型太阳能存储系统的性能产生决定性影响。例如，《Solar Energy Materials and Solar Cells》最新研究强调了在真实波动太阳辐射条件下实现光子-热-电化学协同优化的重要性[38]。虽然这类研究提供了宝贵的设计见解，但其结论仍普遍缺乏针对性，对区域太阳能特征或特定应用场景部署限制的讨论较为有限。聚焦光电极行为与电化学反应路径的平行实验研究，阐明了光辅助系统中电荷分离、界面动力学及电化学稳定性的基础机制。《JPS》报道的研究通过光诱导电荷转移过程与电极反应的实验证据，强化了光伏-电化学耦合在材料层面的认知[39]。然而，这些研究往往未能深入探讨系统在实际运行环境下的适应性与实际应用问题。 现有文献的一个显著空白是缺乏针对特定地区的设计策略，特别是针对印度等高辐照度且成本敏感地区的研究。印度太阳能发展的典型特征是年太阳辐照度较高（4–7 kWh m−2日−1），环境温度升高、多尘环境以及对分散式低成本能源解决方案的强烈需求。这些条件要求使用可见光活性、热稳定性好且地球储量丰富的材料，同时需要简化且坚固的设备架构，以适应农村电气化、农业储能和住宅备用电源等应用场景。尽管综述文献中承认了这些限制条件，但它们很少被作为光伏-电解系统开发的核心设计参数来处理[37]。在此背景下，本研究提出了一种情境驱动的光伏-电化学耦合框架，该框架将材料选择、能级对准和设备架构设计与区域太阳能资源特性及特定应用需求相集成。与先前主要强调实验室规模效率优化或孤立材料性能的研究[38][39]不同，本研究聚焦于适应性、可扩展性及部署适用性，从而为适用于印度场景的下一代太阳能存储系统提供了一条切实可行的技术路径。 本文综述了新一代太阳能电池的最新进展，重点探讨光伏与电化学的集成技术。我们系统讨论了不同材料体系、器件架构和设计策略在提升性能方面的应用及其各自的优势与局限性。此外，本综述还着重分析了该领域的关键挑战与新兴解决方案，为集成太阳能电池技术的未来发展前景提供了深刻见解。研究特别关注了这些技术在印度情境下的适用性，该地区对经济型可持续能源解决方案有着迫切需求。
对化石燃料日益增长的依赖与清洁能源需求的加速增长，强化了对可持续可再生能源系统的需求。在现有可再生能源中，太阳能因其资源丰富性、全球可获得性及可扩展性而具有特殊吸引力。然而，由昼夜周期、季节更替及天气条件变化导致的太阳能固有间歇性，仍是实现可靠利用的核心挑战[40]。尽管光伏（PV）器件展现出较高的光-电转换效率，但在缺乏配套储能系统的情况下仍无法实现持续电力输出。这一局限性使得储能系统成为太阳能装置不可或缺的组成部分。 将能量收集与存储整合至统一平台，为这一挑战提供了直接解决方案。通过将光伏转换与电化学存储结合于单一器件内，集成系统能够实时捕获并存储太阳能，从而最大限度地减少因外部能量传输与转换造成的能量损耗。此类集成设计不仅降低了系统复杂度、提升了整体能效，更实现了结构紧凑轻量化的优势[41]。这些优势对于便携式电子设备、物联网(IoT)设备、分布式传感器和分散式电力系统等现代应用尤为关键，因为空间、重量和能效是决定性的限制因素[42]。除实际效益外，集成还开辟了新的科研机遇，可利用光活性材料与电化学活性材料之间的协同作用，实现比传统模块化系统更高效的电荷分离与利用。尽管已得到广泛应用，传统光伏-电池系统仍存在固有缺陷，制约了其效率、耐久性和长期可扩展性。在此类架构中，太阳能首先通过光伏组件转化为电能，随后经由外部电源管理电路存储于可充电电池。这种多级能量转换路径会引入不可避免的损耗，显著降低系统整体往返效率[43]。此外，依赖于分立的能量收集与存储单元会增加系统复杂度，需要额外布线、逆变器、控制器和保护电路，这些均会推高成本、增加维护需求并提升故障风险。 另一个关键缺陷在于光伏输出与电池行为之间的运行失配。太阳能发电具有固有的波动性，而电池的设计初衷是在受控充电条件下实现最优运行。暴露于不规则和间歇性充电环境会通过结构疲劳、电解质分解和寄生副反应加速电池退化，最终限制系统寿命。此外，传统光伏-电池配置通常体积庞大且结构刚性，难以适应新兴技术对微型化、柔性或可穿戴电源的需求。从可持续性角度看，对锂、钴等资源密集型电池材料的依赖也引发了成本、供应安全及报废回收等相关问题[44]。这些局限性共同凸显了对替代架构的需求，以克服模块化光伏-电池系统固有的效率缺陷。光充电电池通过从根本上重新思考能量收集与存储之间的关系，已成为传统光伏-电池架构的一种有前景的替代方案。这类设备不再依赖物理分离的组件，而是将光吸收、电荷分离和电化学储能集成于单一系统内。在光充电电池中，光活性材料直接参与电化学过程，使得光生电荷载流子无需经过中间的电能转换步骤即可存储为化学能[45]。这种直接的光-化学能转换路径显著减少了界面损耗并提高了能量利用效率。光充电电池的出现与材料科学和纳米技术的进步密切相关。半导体、过渡金属氧化物、导电聚合物和碳基纳米结构已被开发为能同时支持光伏和储能功能的多功能材料[46]。此类材料可实现界面更少、机械鲁棒性更强且设计灵活性更高的紧凑型器件结构。值得注意的是，光充电电池高度契合日益增长的自主供能系统需求——这类系统可独立于集中电网运行，特别适用于便携式电子设备、可穿戴装置、遥感平台和离网应用场景[47]。因此，这些系统代表了向完全集成太阳能解决方案的自然技术演进，弥合间歇性能源供应与持续能源需求之间的鸿沟，同时为下一代太阳能电池奠定基础。图1展示了集成光伏-电化学系统概念的示意图。光伏-电化学（PV-EC）耦合系统在印度应用场景中的适应能力，需要限制级考量当地太阳能资源、成本限制和特定应用需求，而非全年龄性能指标。印度全年太阳辐照度较高且以可见光谱为主，加之环境温度较高，这使得可见光活性且热稳定的光电极材料比依赖紫外线的系统更具适用性。《Solar Energy Materials and Solar Cells》[38]报道的系统级优化研究表明，当光子学、热力学和电化学过程被联合优化时，实际太阳光条件下的耦合效率会提升，这支持了与印度户外运行条件相匹配的材料与器件选择。针对印度大规模部署（特别是分散式及农村地区）的成本考量，与材料丰度及系统复杂性密切相关。正如《Renewable and Sustainable Energy Reviews》[37]所强调的，发展中经济体的可扩展太阳能存储技术优先考虑地壳丰度材料、简化系统架构和降低平衡系统成本，而非追求实验室最大效率。此外，农村电气化、农业储能和住宅备用电源等应用场景要求系统具备高可靠性和低维护特性。实验光电化学研究证实了实际工况下稳定的电荷转移行为和反应路径，这强化了面向应用的材料与电解质选择的可行性[39]。该研究为印度确立了以光谱匹配材料、成本驱动的架构简化和面向特定应用的系统设计为核心的技术路径，超越了传统光伏-电化学系统的泛化讨论。
