隨著全球社會和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)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(zhàn)往往相伴而生，然而目前產(chǎn)水和產(chǎn)電的裝置往往獨(dú)立運(yùn)行，需要分立的基礎(chǔ)設(shè)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(shù)蓬勃發(fā)展，太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率逐漸提升，同時(shí)成本逐步降低。然而就目前來說，單結(jié)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(shí)，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(shù)方面，以反滲透為代表的水處理技術(shù)趨于成熟，能源轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)接近熱力學(xué)的極限。然而對于水處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，能源消耗和對環(huán)境的影響是目前兩大重點(diǎn)關(guān)注的議題。
基于此，南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院朱嘉教授課題組提出了一種全光譜利用水電協(xié)同聯(lián)產(chǎn)器件（Synergistic Tandem Solar Electricity-Water Generators）（圖1C）。該器件可實(shí)現(xiàn)全譜太陽光利用，頂部的紅外透明電池產(chǎn)生綠色電能，底部的太陽能水凈化系統(tǒng)淡化海水/處理污水。在頂部電池和底部純化系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個防水傳熱連接層（WTIL），使得電池和水純化體系級聯(lián)起來，產(chǎn)生協(xié)同作用：底部的水凈化系統(tǒng)可作為蒸發(fā)冷卻器給頂部電池降溫，提高光電轉(zhuǎn)化效率；而頂部電池的熱化熱也可被底部水凈化系統(tǒng)利用，進(jìn)一步用于水淡化過程；诖耍@一水電聯(lián)產(chǎn)器件（圖1 D、E）可同時(shí)輸出電能 （204 W m-2）和凈化水（ 0.8 kg m-2 h-1）, 從而達(dá)到74.6%的總太陽能利用率。這一設(shè)計(jì)既為便攜式的水電聯(lián)產(chǎn)需求提供了一種解決辦法，也有望被運(yùn)用在大型的水電協(xié)同生產(chǎn)中。
1：全光譜利用水電協(xié)同聯(lián)產(chǎn)器件。A 和B為水電聯(lián)產(chǎn)器件中的能帶示意圖與太陽能利用情況。C分立（左）和級聯(lián)（右）的水電聯(lián)產(chǎn)器件。頂部的紅外透明電池產(chǎn)生綠色電能，底部的太陽能水凈化系統(tǒng)淡化海水/處理污水。在頂部電池和底部純化系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個防水傳熱連接層（WTIL），使得電池和水純化體系級聯(lián)起來（C, 右），使之可協(xié)同工作：底部的水凈化系統(tǒng)可作為蒸發(fā)冷卻器給頂部電池降溫，提高光電轉(zhuǎn)化效率；而頂部電池的熱化熱也可被底部水凈化系統(tǒng)利用，進(jìn)一步用于水淡化過程。D和E分別為本文中水電聯(lián)產(chǎn)裝置的示意圖和結(jié)構(gòu)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(fù)合纖維作為水凈化裝置系統(tǒng)。碳納米管（CNT）摻雜的乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）復(fù)合膜作為防水導(dǎo)熱連接層（WTIL）來連接頂部吸收體和底部凈化裝置。這層復(fù)合膜不僅可以有效保護(hù)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(tǒng)。
該工作以《Synergistic Tandem Solar Electricity-Water Generators》為題發(fā)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(xiàn)代工學(xué)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(dǎo)與支持，天合光能盛赟博士也為此工作做出了重要貢獻(xiàn)。該研究受到了固體微結(jié)構(gòu)國家實(shí)驗(yàn)室（籌）微加工中心的技術(shù)支持，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目的資助。
