现代工学院朱嘉课题组在太阳能光热调控领域取得新进展: 全光谱利用的水电协同联产器件

发布者:袁敏敏发布时间:2020-01-20

随着全球社会和经济的迅速发展,人类对水、电资源的需求急剧上升。虽然水和能源的需求和挑战往往相伴而生,然而目前产水和产电的装置往往独立运行,需要分立的基础设施,故而由此带来较高的成本,较低的能源利用率。

近年来,光伏技术蓬勃发展,太阳能电池的转化效率逐渐提升,同时成本逐步降低。然而就目前来说,单结太阳能电池的效率依旧在30%以下,大部分的太阳光能量(70%)没有被有效利用。对于光伏器件来说,高能光子(高于带宽)在部分被吸收后,都会以热的方式耗散掉而低能光子(低于带宽)则无法被利用(图1 AB)。同时,热化热带来的电池温度升高会使得电池效率下降。在水处理技术方面,以反渗透为代表的水处理技术趋于成熟,能源转化效率已经接近热力学的极限。然而对于水处理技术的进一步发展,能源消耗和对环境的影响是目前两大重点关注的议题。

基于此,现代工学院朱嘉课题组提出了一种全光谱利用水电协同联产器件(Synergistic Tandem Solar Electricity-Water Generators)(图1C)。该器件可实现全谱太阳光利用,顶部的红外透明电池产生绿色电能,底部的太阳能水净化系统淡化海水/处理污水。在顶部电池和底部纯化系统中设计了一个防水传热连接层(WTIL),使得电池和水纯化体系级联起来,产生协同作用:底部的水净化系统可作为蒸发冷却器给顶部电池降温,提高光电转化效率;而顶部电池的热化热也可被底部水净化系统利用,进一步用于水淡化过程。基于此,这一水电联产器件(图1 DE)可同时输出电能 (204 W m-2)和净化水( 0.8 kg m-2 h-1, 从而达到74.6%的总太阳能利用率。这一设计既为便携式的水电联产需求提供了一种解决办法,也有望被运用在大型的水电协同生产中。

1:全光谱利用水电协同联产器件。A B为水电联产器件中的能带示意图与太阳能利用情况。C分立(左)和级联(右)的水电联产器件。顶部的红外透明电池产生绿色电能,底部的太阳能水净化系统淡化海水/处理污水。在顶部电池和底部纯化系统中设计了一个防水传热连接层(WTIL),使得电池和水纯化体系级联起来(C, 右),使之可协同工作:底部的水净化系统可作为蒸发冷却器给顶部电池降温,提高光电转化效率;而顶部电池的热化热也可被底部水净化系统利用,进一步用于水淡化过程。DE分别为本文中水电联产装置的示意图和结构图。我们选用硅电池作为顶部的红外透明太阳能电池,还原氧化石墨烯(r-GO)复合纤维作为水净化装置系统。碳纳米管(CNT)掺杂的乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)复合膜作为防水导热连接层(WTIL)来连接顶部吸收体和底部净化装置。这层复合膜不仅可以有效保护硅电池,还可以有将热化热从硅电池中有效传递至底部净化系统。

该工作以《Synergistic Tandem Solar Electricity-Water Generators》为题发表在著名能源杂志Cell子刊Joule(DOI: 10.1016/j.joule.2019.12.010) 。课题组专职科研员徐凝博士以及15级直博生朱鹏臣为该文章共同第一作者,现代工学院朱嘉教授、谭海仁教授为该论文的通讯作者,祝世宁院士予以指导与支持,天合光能盛赟博士也为此工作做出了重要贡献。该研究受到了固体微结构国家实验室(筹)微加工中心的技术支持,国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金项目的资助。