太阳能电池和电池的组合应用范围涵盖了大型太阳能发电厂到小型自主传感装置。研究人员对太阳能电池与储能系统的集成进行了研究，并在将太阳能电池和电池集成在一个单一组件的研究中取得了许多成就。尽管这些系统很有前景，但也存在循环稳定性差、容量低以及光子-电荷存储转换效率有限的问题。为了应对其中的一些挑战，剑桥大学的Buddha Deka Boruah和Michael De Volder研究小组最近开发了光充电锌离子电池（hν-ZIBs）。与锂金属相比，锌金属阳极在循环过程中具有相对良好的稳定性。因此，锌金属可以更容易地用作阳极材料，从而简化电池设计。之前该小组报道的hν-ZIB依赖V₂O₅或VO₂作为光活性阴极材料。而在本工作中，作者直接使用碳毡（CF）作为电极集流体，在其表面制备氧化锌膜用于电子和空穴的传输；随后在其表面沉积二硫化钼（MoS₂）层，避免了这些电极材料与导电添加剂和粘合剂随机混合而导致的光生电荷的分离和传输不良，从而提高整体光电荷转换效率。

作者给出了hν-ZIBs的工作机理图（Figure 1）。从Figure 1b-d可以形象且直观地看出MoS₂在CF表面的ZnO膜上生长。Figure 1e给出了材料的能带结构以及电子和空穴的传输过程。通过Figure 1f-g确认了2H-MoS₂在可见光范围吸收，且带隙为1.9 eV。

Figure 1. (a) Schematic illustration of the proposed photocharging mechanism of hν-ZIBs. (b) Schematic illustration of MoS₂ nanosheets grown on a ZnO coated carbon fiber. (c, d) SEM images of the photocathode at low and high magnifications. Scale ∼5 μm in the inset of part c. (e) Energy band diagram of the MoS₂/ZnO photocathode. (f) UV-vis absorption spectrum and Tauc plot of the as-grown 2D MoS₂ nanosheets. (g) Raman spectrum of the photocathode.

（来源：ACS nano）

在Au/MoS₂/Au的光电探测器（PD）中，如Figure 2a所示，作者证实了MoS₂具有光敏性，且在偏压的情况下才能够发生光生电子-空穴对的分离（Figure 2b）。而组装的FTO/ZnO/MoS₂/Ag PD能够在没有偏压的情况下产生电子-空穴对的分离（Figure 2c）。在FTO/ZnO/MoS₂/Ag PD的I-t测试中，在没有任何偏压的情况下，能够产生很好的瞬态光电流响应。因此，MoS₂和ZnO材料堆能够在光照下分离光生电荷，并适合用来开发光充电电池。

Figure 2. (a) I-V curves of an interdigitated Au-MoS₂-AuPD in dark and illuminated conditions. (b) I-t tests of the Au-MoS₂-AuPD under alternating dark and illuminated (λ∼455 nm) states at V=0 V and V=0.1 V. (c) I-V curves of a stacked FTO/ZnO/MoS₂/Ag PD in dark andilluminated (λ∼455 nm) states. (d) Energy band diagram of the stacked FTO/ZnO/MoS₂/AgPD at V=0 V. (e) I-t measurement of the stacked FTO/ZnO/MoS₂/Ag PDunder alternating dark and light (λ∼455 nm) conditions at V=0 V.

（来源：ACS nano）

从Figure 3a-b可以看出，在不同的扫速下，光照以后hν-ZIBs的CV面积明显增加，这是由于MoS₂的光敏性导致了容量的增加。作者研究了不同扫速下b值的变化，如Figure 3c-d所示，在光激发下当灯打开时，电容和扩散控制过程中的电荷存储贡献都在发生，并且可能略微向更多扩散控制贡献转移（b值逐渐向0.5靠近）。进一步作者测试了该材料在0.5 mV s^-1下的电容贡献，从Figure 3e-f可以看出，在暗环境中的电容贡献为72.8%，大于在光照下的贡献71.9%，说明在光照下改善了光阴极的扩散贡献。

Figure 3. CV curves of the hν-ZIBs at scan rates of (a) 0.2mV s^-1 and (b) 1.0 mV s^-1 in dark and illuminated states.(c) b-value determination in dark and illuminated states. (d) Comparative analysis of diffusion constants in dark and illuminated conditions. (e, f) Capacitive contribution determinations to charge storage at 0.5 mV s^-1 in darkand illuminated conditions.

（来源：ACS nano）

从Figure 4a可以直观地看出，在光照下，由于光生载流子的分离而导致容量显著增加。Figure 4b展现的结果与Figure 4a以及CV表现出的电势平台一致。相比于暗环境而言，光照以后的Zn离子电池能够展现出更好的倍率性能和更小的电荷转移阻抗（Figure 4c-d）。最后，该电池在200圈循环后，容量保持率为82%。

Figure 4. (a, b) Galvanostatic discharge-charge curves and the respective dQ/dV curves at 100 mA g^-1 in dark and illuminated states. (c) Rate capacity tests both in dark and in illuminated states. (d) AC impedance spectra acquired in the frequency range from 10 mHz to 100 kHz at 10 mV of the hν-ZIB in dark and illuminated states. (e) Specific capacity of the hν-ZIB for the first 200 discharge-charge cycles tested at 500 mA g^-1 inthe dark.

（来源：ACS nano）

相关研究结果以“Molybdenum Disulfide-Zinc Oxide Photocathodes for Photo-Rechargeable Zinc-Ion Batteries”为题，发表在ACS Nano（ACS Nano 2021, 15, 16616-16624；DOI: 10.1021/acsnano.1c06372）上。剑桥大学Michael De Volder和Buddha Deka Boruah为共同通讯，且Buddha Deka Boruah为一作。全部作者：Buddha Deka Boruah, Bo Wen, and Michael De Volder。