DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57369-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40021669
تاريخ النشر: 2025-03-01
المؤلف: Shichao Huang وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد النانوية لأكاسيد المعادن الانتقالية
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في أبحاثهم، مع التركيز على النقاء العالي للمواد الكيميائية المعنية. تشمل المواد الرئيسية يوديد الأوكتيل أمونيوم (OAI، >99.5%)، يوديد الرصاص (PbI₂، 99.99%)، ويوديد السيزيوم (CsI، 99.9%)، المأخوذة من شركة شيان بوليمر لايت تكنولوجي. تشمل المكونات المهمة الأخرى بوليميثيل ميثاكريلات (PMMA) من سينوفارم، N,N-ثنائي ميثيل فورماميد (DMF) من نانجينغ ريجينت، ومجموعة متنوعة من الكواشف مثل الإيثانول، وحمض الكبريتيك، وثنائي هيدرات تنگستات الصوديوم من شركة سينوفارم للمواد الكيميائية.
بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على سداسي كلوريد التنجستن (WCl₆، 99.5%) من شركة ماكلين للمواد الكيميائية، بينما تم الحصول على الأنيلين وبولي (الفينيل الكحولي) 1799 (PVA) من شركة العيدين للتكنولوجيا الحيوية في شنغهاي. تم استخدام جميع المواد دون مزيد من التنقية. تم تزويد الركائز من أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) بمقاومية قدرها 8 أوم لكل مربع من قبل شركة لويانغ غولو زجاج. تسلط هذه القائمة الشاملة للمواد الضوء على عملية الاختيار الدقيقة التي تهدف إلى ضمان موثوقية و reproducibility النتائج التجريبية.
النتائج
يقدم قسم النتائج تحليل الأداء لجهاز “وجه لوجه” مزدوج يدمج أنظمة الكهروضوئية (LSCs) وأنظمة الكهروضوئية (ECSs). تتكون ECSs من فيلم بولي أنيلين (PANI) كمادة كهروضوئية أنودية وفيلم أكسيد التنجستن (WO$_3$) كمادة كهروضوئية كاثودية، مما يمكّن من تخزين الطاقة ووظيفة الكهروضوئية. تستخدم LSCs مركب CsPbI$_3$/PMMA المنبعث باللون الأحمر مقترنًا بخلايا شمسية سيليكونية لجمع الطاقة بشكل فعال.
تتناول المناقشة مقاييس الأداء الفردية والمجمعة لـ ECSs و LSCs وجهاز LSCs-ECSs المدمج، مع تسليط الضوء على تأثيراتها التآزرية وتطبيقاتها المحتملة في تقنيات كفاءة الطاقة. تشير النتائج إلى أن دمج هذه المكونات يعزز الكفاءة العامة للجهاز، مما يمهد الطريق للتقدم في أنظمة الطاقة متعددة الوظائف.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير مكثفات كهروضوئية شبه صلبة (ECSs) باستخدام أقطاب بولي أنيلين (PANI) وأكسيد التنجستن (WO₃)، المصنوعة على ركائز أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) من خلال الترسيب الكهروكيميائي. تم تحديد الأقطاب المثلى PANI و WO₃ بناءً على أدائها الكهروكيميائي، حيث أظهر PANI-600 سعة محددة قدرها 13.8 مF سم⁻² و WO₃-45 حقق 46.8 مF سم⁻². أظهرت ECSs سلوكًا كهروكيميائيًا مستقرًا ضمن نافذة جهد من 0-1.4 فولت، مناسبًا للتكامل مع خلايا الطاقة الشمسية (PV). كما أظهرت ECSs خصائص كهروضوئية ملحوظة، مع تغيير في النفاذية المرئية المتوسطة (AVT) من 49% إلى 14% مع زيادة الجهد من 0 فولت إلى 1.4 فولت، مما يشير إلى تطبيقات محتملة في النوافذ الذكية وأجهزة تخزين الطاقة.
تم تجميع الجهاز المدمج الذي يجمع بين مكثفات الطاقة الشمسية المتألقة (LSCs) و ECSs بنجاح، محققًا وقت شحن قدره 124 ثانية إلى 1.2 فولت تحت ظروف ضوء الشمس القياسية. أظهر الجهاز قدرة متعددة الوظائف، حيث يعمل كنظام لتخزين الطاقة ونافذة ذكية، قادرة على تعديل نقل الضوء. حافظت ECSs على احتفاظ بالسعة قدره 82% بعد 1200 دورة شحن وتفريغ، مما يبرز استقرارها. ومع ذلك، تظل كثافة الطاقة البالغة 23.3 مWh م⁻² قيدًا لتطبيقات عملية. قد تشمل التحسينات المستقبلية استخدام مواد ذات سعة أعلى وزيادة استقرار الدورة لتلبية متطلبات تخزين الطاقة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57369-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40021669
Publication Date: 2025-03-01
Author(s): Shichao Huang et al.
Primary Topic: Transition Metal Oxide Nanomaterials
Methods
In this section, the authors detail the materials utilized in their research, emphasizing the high purity of the chemicals involved. Key materials include octylammonium iodide (OAI, >99.5%), lead iodide (PbI₂, 99.99%), and cesium iodide (CsI, 99.9%), sourced from Xi’an Polymer Light Technology Corp. Other significant components include polymethyl methacrylate (PMMA) from Sinopharm, N,N-dimethylformamide (DMF) from Nanjing Reagent, and various reagents such as ethanol, sulfuric acid, and sodium tungstate dihydrate from Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd.
Additionally, tungsten hexachloride (WCl₆, 99.5%) was procured from Macklin Reagent Co. Ltd., while aniline and poly(vinyl alcohol) 1799 (PVA) were obtained from Aladdin Shanghai Biochemical Technology Co., Ltd. All materials were employed without further purification. The indium tin oxide (ITO) substrates, with a resistivity of 8 Ω sq⁻¹, were supplied by Luoyang Guluo Glass Co., Ltd. This comprehensive listing of materials underscores the meticulous selection process aimed at ensuring the reliability and reproducibility of the experimental results.
Results
The results section presents the performance analysis of a “face to face” tandem device integrating light-emitting electrochromic systems (LSCs) and electrochromic systems (ECSs). The ECSs are composed of a polyaniline (PANI) film as the anodic electrochromic material and a tungsten oxide (WO$_3$) film as the cathodic electrochromic material, enabling both energy storage and electrochromic functionality. The LSCs utilize a red-emitting CsPbI$_3$/PMMA composite coupled with silicon solar cells for effective energy harvesting.
The discussion elaborates on the individual and combined performance metrics of the ECSs, LSCs, and the integrated LSCs-ECSs device, highlighting their synergistic effects and potential applications in energy-efficient technologies. The findings suggest that the integration of these components enhances overall device efficiency, paving the way for advancements in multifunctional energy systems.
Discussion
In this study, quasi-solid state electrochromic supercapacitors (ECSs) were developed using polyaniline (PANI) and tungsten trioxide (WO₃) electrodes, fabricated on indium tin oxide (ITO) substrates through electrochemical deposition. The optimal PANI and WO₃ electrodes were identified based on their electrochemical performance, with PANI-600 exhibiting a specific capacity of 13.8 mF cm⁻² and WO₃-45 achieving 46.8 mF cm⁻². The ECSs demonstrated stable electrochemical behavior within a voltage window of 0-1.4 V, suitable for integration with photovoltaic (PV) cells. The ECSs also displayed significant electrochromic properties, with a change in average visible transmittance (AVT) from 49% to 14% as the voltage increased from 0 V to 1.4 V, indicating potential applications in smart windows and energy storage devices.
The integrated device combining luminescent solar concentrators (LSCs) and ECSs was successfully assembled, achieving a charging time of 124 seconds to 1.2 V under standard sunlight conditions. The device exhibited a multifunctional capability, serving as both an energy storage system and a smart window, capable of modulating light transmission. The ECSs maintained a capacitance retention of 82% after 1200 charge-discharge cycles, highlighting their stability. However, the energy density of 23.3 mWh m⁻² remains a limitation for practical applications. Future improvements may include the use of higher-capacity materials and enhanced cycling stability to meet energy storage demands.