隨著全球社會和經濟的迅速發展，人類對水、電資源的需求急劇上升。雖然水和能源的需求和挑戰往往相伴而生，然而目前產水和產電的裝置往往獨立運行，需要分立的基礎設施，故而由此帶來較高的成本，較低的能源利用率。
近年來，光伏技術蓬勃發展，太陽能電池的轉化效率逐漸提升，同時成本逐步降低。然而就目前來說，單結太陽能電池的效率依舊在30%以下，大部分的太陽光能量（70%）沒有被有效利用。對于光伏器件來說，高能光子（高于帶寬）在部分被吸收后，都會以熱的方式耗散掉而低能光子（低于帶寬）則無法被利用（圖1 A、B）。同時，熱化熱帶來的電池溫度升高會使得電池效率下降。在水處理技術方面，以反滲透為代表的水處理技術趨于成熟，能源轉化效率已經接近熱力學的極限。然而對于水處理技術的進一步發展，能源消耗和對環境的影響是目前兩大重點關注的議題。
基于此，南京大學現代工學院朱嘉教授課題組提出了一種全光譜利用水電協同聯產器件（Synergistic Tandem Solar Electricity-Water Generators）（圖1C）。該器件可實現全譜太陽光利用，頂部的紅外透明電池產生綠色電能，底部的太陽能水凈化系統淡化海水/處理污水。在頂部電池和底部純化系統中設計了一個防水傳熱連接層（WTIL），使得電池和水純化體系級聯起來，產生協同作用：底部的水凈化系統可作為蒸發冷卻器給頂部電池降溫，提高光電轉化效率；而頂部電池的熱化熱也可被底部水凈化系統利用，進一步用于水淡化過程。基于此，這一水電聯產器件（圖1 D、E）可同時輸出電能 （204 W m-2）和凈化水（ 0.8 kg m-2 h-1）, 從而達到74.6%的總太陽能利用率。這一設計既為便攜式的水電聯產需求提供了一種解決辦法，也有望被運用在大型的水電協同生產中。
1：全光譜利用水電協同聯產器件。A 和B為水電聯產器件中的能帶示意圖與太陽能利用情況。C分立（左）和級聯（右）的水電聯產器件。頂部的紅外透明電池產生綠色電能，底部的太陽能水凈化系統淡化海水/處理污水。在頂部電池和底部純化系統中設計了一個防水傳熱連接層（WTIL），使得電池和水純化體系級聯起來（C, 右），使之可協同工作：底部的水凈化系統可作為蒸發冷卻器給頂部電池降溫，提高光電轉化效率；而頂部電池的熱化熱也可被底部水凈化系統利用，進一步用于水淡化過程。D和E分別為本文中水電聯產裝置的示意圖和結構圖。他們選用硅電池作為頂部的紅外透明太陽能電池，還原氧化石墨烯（r-GO）復合纖維作為水凈化裝置系統。碳納米管（CNT）摻雜的乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）復合膜作為防水導熱連接層（WTIL）來連接頂部吸收體和底部凈化裝置。這層復合膜不僅可以有效保護硅電池，還可以有將熱化熱從硅電池中有效傳遞至底部凈化系統。
該工作以《Synergistic Tandem Solar Electricity-Water Generators》為題發表在著名能源雜志Cell子刊Joule上 (DOI: 10.1016/j.joule.2019.12.010) 。課題組專職科研員徐凝博士以及15級直博生朱鵬臣為該文章共同第一作者，現代工學院朱嘉教授、譚海仁教授為該論文的通訊作者，祝世寧院士予以指導與支持，天合光能盛赟博士也為此工作做出了重要貢獻。該研究受到了固體微結構國家實驗室（籌）微加工中心的技術支持，國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高；究蒲袠I務費專項基金項目的資助。
