Advanced Sustainable Systems:太阳能光热转换综述——从基础到应用

在即将到来的“碳达峰和碳中和”时代,发展低成本、环境友好、产业规模化的新能源技术,以替代被广泛认为会造成温室效应、频繁的极端气候的传统化石能源显得尤为重要。太阳能是一种永不担心耗尽的能源,几乎每个国家都可以随时使用。因此,与核能、风能和蓝色能源相比,它是最有希望替代化石能源的能源。在太阳能转换技术中,硅基光伏(PV)太阳能电池已经商业化,单片硅/钙钛矿太阳能电池的效率已达到29%以上。光热转换是利用太阳能的另一种方式,并且由于其在热催化、水蒸发和海水淡化、杀菌和热响应传感器等应用中易于实现大的转换效率(通常大于 50%)而引起了越来越多的关注。太阳能光热转换是指先将太阳能转化为热能,然后利用热能达到预期的目的,如净水、海水淡化、发电、催化转化、杀菌等。因此,太阳能光热转换可以作为光伏转换的补充,同时它也被认为是一种重要清洁能源利用技术。

近日,德国伊尔梅瑙工业大学微纳米技术研究所博士生程鹏飞、王栋博士、Peter Schaaf博士系统总结了基于不同的热释放形式的各种光热转换机理,并呈现了一些不同光热转换机理的例子。 此外,该论文不仅讨论了作为太阳能驱动光热材料在实际应用中的必要条件,而且讨论了太阳能光热转换的最新进展,重点关注不同类型的光热应用。 最后,我们总结并提出了太阳能光热转换面临的挑战和机遇。本综述旨在全面了解基于光热效应的新兴太阳能转换技术,特别是通过使用纳米材料和纳米结构。

【图1】太阳能驱动光热转换的范畴示意图。

该综述主要聚焦太阳能光热转换机制的材料类型、高性能光热光吸收体系的必要要求以及一系列基于太阳能转换的光热应用(图1)。首先,该论文总结了太阳能驱动光热转换的四种基本机理以及相应的材料类型,包括半导体的非辐射弛豫、金属的等离子体加热、有机分子的热振动和微/纳米结构材料的多次光散射作用。此外,一些复杂的材料体系会包含两个或三个组合的基本机理。其次,讨论了高性能太阳能驱动光热材料的基本要求,例如在宽带(特别是在整个太阳光谱范围内)具有优异的光捕获性能、合适的热传导、低热发射率和多级稳定性(如抗腐蚀、抗菌、耐高温)。然后,详细介绍了太阳能光热转化在实际应用的最新进展,主要包括光热水蒸发和淡化、光热催化、光热发电、光热杀菌、光热传感器和光热去冰等。光热水蒸发由于可利用现成的太阳能处理不同的水源(海水、废水、未净化水),且高效、环保、经济地获得淡水和盐分,因此受到广泛关注。光热催化产氢是利用太阳光和合适的催化剂生产氢气的有效方法,基于太阳能光热催化二氧化碳也是解决减排这些问题的最有希望的策略之一。光热发电技术的输出电压和输出电流小,却可广泛应用于可穿戴电子产品和微电子芯片中。光热杀菌作为一种高效、绿色和可持续的技术,因此在健康卫生领域被广泛研究。太阳能光热除冰技术不仅环保、性价比高,而且可以解决我们日常生活中的各种安全隐患,如车窗结冰会导致视线模糊、楼梯结冰容易导致摔倒等问题。这些太阳能转换技术为开发仅在阳光和环境条件下工作的具有成本效益、环保、高效和可持续的光热转换器提供了新的机会。在基础研究和实际应用两方面都应加大力度,以进一步提高光热转换器的性能,降低成本并延长光热转换器的使用寿命。

论文信息:

A Review on Photothermal Conversion of Solar Energy with nanomaterials and nanostructures: From Fundamentals to Applications

Pengfei Cheng*, Dong Wang*, Peter Schaaf

Advanced Sustainable Systems

DOI: 10.1002/adsu.202200115

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adsu.202200115