CRPS: 协同光学和热管理-实现太阳能水电联产

论文信息：

Shang Liu,Shiteng Li,Qijun Yang and Meng Lin,Synergistic optical and thermal management for solar water and electricity co-generation via a front side coupling strategy, Cell Press, 102720 (2025).

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2025.102720

研究背景

全球正面临着水资源短缺和能源需求增长的双重挑战，目前仍有超过22亿人缺乏安全饮用水，而到2050年，电力需求预计将增长近80%。太阳能作为可再生资源，为解决水电联产提供了可能，但传统的光伏-蒸发器后侧耦合（BSC）系统存在关键缺陷：光伏电池作为主要吸热组件限制了冷却效果，红外吸收效率低导致能量损失，且光伏（需低温）与蒸发器（需高温）的工作条件相互矛盾。为此，研究人员提出了一种创新的前侧耦合（FSC）策略，通过在光伏电池前表面引入精确调控的薄水膜，协同优化光学吸收与热管理，从而显著提升系统效率，为可持续水电联产提供了突破性解决方案。

研究内容

研究团队提出的前侧耦合（FSC）策略创新性地在光伏电池前表面引入厚度可控的水膜（图1(B)所示），该设计展现出三重协同优势，首先作为高效冷却介质，水膜直接降低光伏工作温度，提升电能转换效率；其次作为选择性光吸收层，水膜显著增强1200-2500 nm红外波段（图1(C)所示）的吸收效率，弥补传统光伏对该波段吸收不足的缺陷；最后作为天然抗反射层，优化入射光的光学路径。通过电流损失模型和外部量子效率（EQE）分析，研究确定2 mm为最佳水膜厚度。

图1. 正面耦合策略的作用机理(A)传统界面蒸发与光伏（PV）技术集成实现水-电联产的策略示意图，称为背面耦合（BSC）策略；(B) 正面耦合（FSC）策略示意图，该策略在光伏电池正面覆盖一层薄水膜；此水膜不仅可作为冷却介质，降低光伏电池温度（TPV）提高效率，还能吸收红外（IR）辐射；(C) 正面耦合策略中光热协同机理示意图，包括太阳辐射和100 ℃热黑体源的能量密度、液态水的光子穿透深度（吸收系数的倒数）以及光伏电池在不同波长下的吸收率。

根据能量分配数据可知，如图2所示，当水膜厚度从0 mm增至1 mm时，系统在1200-2500 nm波段的反射损失和子带隙损失分别降低4.18%和3.56%，同时水膜吸收提升8.37%，证实该设计能有效优化全光谱能量利用效率。

图2. 不同水膜厚度（Hwf=0、1、8 mm）下光伏电池的能量贡献分析；(A) 25 ℃时的能量贡献分析；(B) 55 ℃时的能量贡献分析；这些分布图中的能量分为三部分：光学损失、热源和电能。(C) 25 ℃和55 ℃下，水膜厚度（Hwf=0、1、2、4、8、10 mm）时光伏电池的外量子效率（EQE）曲线；(D) 25 ℃和55 ℃下，不同水膜厚度（Hwf=0、1、2、4、8、10 mm）时光伏电池的能量分解；这表明，若能独立控制光伏电池的温度，1 mm是使光伏转换效率（ηPV）最大化的最优水膜厚度。

本文研究通过理论分析和实验验证相结合的方法确定了最佳水膜厚度。图3所示为水膜厚度优化实验的关键结果。实验分为两种，其一为水膜厚度连续变化的蒸发实验；其二为固定水膜厚度的蒸发实验。结果显示，当水膜厚度≥2 mm时，重力开始主导，克服表面张力的收缩效应，使水膜能够均匀铺展。而当水膜厚度<2 mm时，由于水分子间的内聚力(即液体的表面张力)强于水分子与光伏表面的粘附力，水膜无法完全覆盖光伏表面，导致局部过热。图3(E)所示为固定水膜厚度实验的结果。在准稳态阶段(30-90分钟)，平均光伏表面温度(Tpv)从59.66 °C(0 mm)降至39.86 °C(8 mm)。电能转换效率(ηpv)可维持在15.30%(0 mm)、17.77%(2 mm)、17.40%(4 mm)和17.02%(8 mm)，证实了2 mm是最佳水膜厚度。

图3. 最优水膜厚度的实验探究；(A) 采用正面耦合（FSC）策略的水-电联产装置示意图；(B) 1个太阳光照条件下连续蒸发与瞬时发电的实验性能，包括水膜厚度（Hwf）变化、光伏电池表面温度及光电转换效率（ECE），误差线通过5次重复实验获得；(C) 连续蒸发与瞬时发电实验中光伏电池的电流-电压（I-V）曲线。每条I-V曲线的颜色对应(B)中不同颜色点的光电转换效率（ECE），圆点代表最大功率点（MPP）；(D) 不同水膜厚度（Hwf=1、2、4、8 mm）时正面耦合（FSC）装置温度的红外图像；(E) 1个太阳光照条件下连续蒸发与连续发电的实验性能，包括质量变化、光伏电池表面温度及光电转换效率（ECE）变化；(F) 1个太阳光照条件下，不同水膜厚度（Hwf=0、2、4、8 mm）时连续蒸发与连续发电实验的能量分解。

本文研究又通过多级FSC装置（MSFSC）验证了FSC策略的器件性能，如图4(A)所示。该装置采用2 mm最佳水膜厚度和多级结构设计。实验显示（图4(B)和(C)所示），在1太阳条件下，蒸发速率随级数增加而提升：从单级0.62 kg m-2h-1增至九级3.09 kg m-2h-1；添加冷却层后进一步提升至4.27 kg m-2h-1。数值模拟表明（图4(D)所示），级数增加能减少系统顶部和底部的热损失，当九级装置加装冷却层时，底部温度接近环境温度，使底部热损失趋近于零，从而显著提高蒸发和光伏效率。

图4. 采用正面耦合（FSC）策略的太阳能驱动多级水-电联产装置性能；(A) 采用正面耦合策略的太阳能驱动多级水-电联产（MSFSC）装置示意图；(B) 1个太阳光照条件下MSFSC装置的水-电联产性能，包括不同级数（n=1、3、5、7、9、9+冷却层）时的质量变化、光伏电池表面温度及光电转换效率（ECE）；(C) 不同级数（n=1、3、5、7、9、9+冷却层）时MSFSC装置的蒸发速率和光电转换效率（ECE），误差线通过5次重复实验获得；(D) 1个太阳光照条件下MSFSC装置水-电联产性能的能量分解；(E) 1个太阳光照条件下，用于水-电联产的MSFSC装置（n=9+冷却层）的长期稳定性测试性能，包括光伏电池温度（TPV）、冷却层温度（Tcooling）、质量变化（m）、蒸发速率（revap）、光电转换效率（ηPV）及光伏电池的填充因子（FF）。

为了验证MSFSC装置的动态稳定性，本文研究又在实际户外条件下进行了水电联产性能测试。图5(A)所示为实验设置图像，图5(B)所示比较了MSFSC和MSBSC(多级后侧耦合)装置在8小时(上午9点至下午5点)内的性能，平均辐照强度为564.04 W·m-2。结果显示，MSFCS装置的平均revap和ηpv分别为1.84 kg m-2 h-1和13.5%，比MSBSC装置(1.56 kg m-2 h-1和9.2%)相对提高了18%和46%。图5(C)所示的能量分析表明，由于水膜的冷却效果，MSFSC装置的表面温度(TMSFSC)低于MSBSC装置，导致qconv和qrad减少。同时，由于水膜的减反射效应，MSFSC装置表现出减少的qopt。

图5. 多级背面耦合（MSBSC）与多级正面耦合（MSFSC）装置的户外运行情况；(A) 在南方科技大学屋顶开展的户外实验；(B) 户外水-电联产性能，太阳辐照度（qin）、MSBSC装置温度（TMSBSC）、MSFSC装置温度（TMSFSC）、冷却层温度（Tcooling）、环境温度（Tamb）、质量变化（m）及光电转换效率（ηPV）；(C) 不同时间（上午10:30、下午1:30和下午4:00）MSBSC与MSFSC装置的能量分解；(D) 模拟海水中及收集的淡水中的离子浓度；(E) 水-电联产性能对比。(F) 投资回收期（PP）与光电转换效率（ηelec）及蒸发速率（revap）的函数关系；(G) 经优化光电转换效率（ηelec）和蒸发效率（ηevap）的MSFSC系统能量输入与输出分析的桑基图。

结论与展望

综上所述，本研究通过系统实验和理论分析证实，前侧耦合（FSC）策略通过2mm水膜设计实现了光伏冷却与红外吸收的双重优化，使多级系统（MSFSC）在1太阳条件下达到290.5%蒸发效率和19.1%光伏效率。户外测试显示其性能较传统系统提升18-46%，投资回收期可缩短至1.8-2.3年。该技术不仅解决了传统光伏-蒸发系统的固有矛盾，更通过创新的水膜位置设计实现了光热-光电协同增效，为开发经济可行的水电联产系统提供了突破性方案，具有应对全球水-能挑战的重大应用前景。未来研究将聚焦材料优化、系统智能控制和规模化应用等方向。