凝练科学问题案例：全光谱太阳能梯级耦合利用方法

　　科研选题是科技工作首先需要解决的问题。国家自然科学基金委员会（以下简称：自然科学基金委）高度重视科学问题凝练工作，先后实施了明确资助导向、完善面向科学前沿和国家重大需求的科学问题凝练机制等一系列改革举措。为了通过总结和宣传我国科学家凝练科学问题的成功经验，从理念和方法上给科研人员以启迪和信心，引导科技界更加自觉地探索和运用科学方法不断提升凝练科学问题的能力和水平，自然科学基金委组织开展凝练科学问题案例编写工作。

　　案例以科研人员发现问题、凝练方向、奋勇攀登的心路历程为主线，由自然科学基金委各科学部工作人员依据科研人员工作实践调研总结形成，并通过小同行审读、大同行评阅的方式，进一步提升科学性和可读性，形成了凝练科学问题案例共81个。《全光谱太阳能梯级耦合利用方法案例》为其中案例之一，供参考。

　　2021年10月中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》指出，实现碳达峰、碳中和，是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择，是构建人类命运共同体的庄严承诺。我国碳排放约92%来自传统化石能源的使用，开发清洁无污染的可再生能源已成为实现“碳达峰、碳中和”国家战略目标的必经之路。在目前规模化可利用的可再生能源资源中，太阳能具有资源总量大、分布广泛、使用清洁、可持续、不存在资源枯竭的问题等优点，在调整能源结构、解决当前紧迫的能源危机和环境污染等问题上具有巨大潜力。因此，本项目研究方向选定为太阳能高效利用。

　　经过深入调研与分析现有太阳能利用技术的瓶颈，发现光伏电池吸收响应波段有限、难以实现全光谱利用，而光热发电把高品位太阳能转换为低品位热能、能量降级使用、不可逆损失大。如何实现全光谱太阳能梯级耦合利用成为可再生能源领域的一个重大挑战。近年来，光伏-热电耦合利用系统受到研究人员的广泛关注。在前期研究中，研究人员发现耦合系统内部具有光—电、热—电和光—热等多种能量转换形式，存在复杂的光子、电子和声子等能量载流子吸收、输运和转换过程，光伏单元和热电单元相互关联、互相影响，导致光伏与热电器件难以高效匹配甚至互相制约。经过系统分析和深入研讨，梳理、提炼出制约太阳能全光谱高效利用技术发展背后的本质，即目前研究存在只关注太阳能的“量”而忽略太阳能“品位”的局限，不同波长光子的转换利用难以同时“因材适用”，制约了太阳能全光谱转换利用效率、水平和技术发展，因此亟须发展全光谱太阳能梯级耦合利用的方法。

　　围绕这一科学问题本质，沿着太阳能捕获、传输与转换利用的全链条开展深入分析，可进一步凝练出解决本科学问题的三个关键环节，即全光谱太阳能高效捕获吸收机理、太阳能光子-声子-电子耦合传输转换机制和太阳能梯级耦合利用系统协同匹配原理。

　　传统研究方法忽视了太阳能全光谱能量和波段品位的本征属性，难以实现波长选择性的光子管理与高效利用，面临的挑战具体表现在三个方面。首先，针对全光谱太阳能高效捕获吸收：传统方法局限于有限波段、单一角度、单一偏振，光子与微观结构、器件多尺度相互作用机制不清晰，缺乏兼具宽光谱、广角度与偏振不敏感特性的太阳能高效捕获吸收方法。其次，针对多子耦合传输转换机制与强化：光子、声子、电子相互作用呈现非线性、强耦合特征，强化光学吸收与抑制光生载流子复合难以兼顾，声子散射增强与电子输运强化难以匹配，缺乏多子协同调控与强化手段。最后，针对太阳能梯级耦合利用系统协同匹配：全光谱太阳能梯级耦合利用的不可逆损失机理不清晰，缺乏描述太阳能全光谱做功能力与不可逆性的理论模型和方法及耦合系统综合评价手段，缺乏太阳能梯级耦合利用系统高效匹配原则与集成设计方法。

　　针对太阳能全光谱利用效率低的核心难题，提出太阳能高效利用必须兼顾太阳能能量和品位基本属性的新思路，围绕全光谱太阳辐射能量捕获吸收、传递转换和梯级耦合利用的全链条，建立全光谱太阳能利用中光子和热量传输转换、能量互补、品位耦合的梯级耦合利用理论与方法。

　　首先，从太阳光与物质表面相互作用的多尺度过程出发，建立太阳能全光谱、广角度、偏振不敏感的高效捕获吸收和波长选择性光子管理方法，实现太阳能全光谱高效捕获、电池工作波段高吸收和红外非工作波段高透射等多功能兼容，建立光伏电池的光子捕获吸收与载流子分离协同强化方法，提出纳米结构降低热导率与动态掺杂提高电导率协同的热电性能提升方法。

　　其次，从太阳能全光谱的能量和波段品位入手，提出全光谱最大做功能力概念，揭示全光谱的最大做功能力和品位的基本属性，以降低全光谱不可逆性为突破口，阐明太阳能全光谱利用过程不可逆性发生机制，建立全光谱最大做功能力梯级耦合利用理论及评价方法，从而提出太阳能全光谱利用的新原理和新方法。

　　最后，阐明太阳能梯级耦合利用系统内部能量流与物质流协同匹配规律，建立太阳能直接驱动纳米流体甲醇制氢、V型钙钛矿-硅光伏耦合、聚光光伏-相变-热电耦合和聚光光伏-光热化学互补等新方法，从而实现全光谱太阳能梯级高效利用。

　　全光谱太阳能梯级耦合利用方法这一科学问题的突破与研究成果丰富和创新发展了太阳能利用的理论、方法和技术，通过提出光子纳米流体和太阳能全光谱最大做功能力等新概念，建立能量互补、品位耦合的全光谱太阳能梯级耦合利用理论，革新了人们对太阳能囿于能“量”利用的传统认识。通过建立太阳能全光谱捕获吸收、光—电、光—热、光—热—电和光—电—热化学等太阳能传输转换与耦合利用方法，实现了V型钙钛矿-硅光伏耦合、聚光光伏-相变-热电耦合和聚光光伏-光热化学互补等技术“从0到1”的突破，从而提升了我国太阳能利用领域从理论、方法到技术的源头创新能力。

　　能源短缺、二氧化碳排放严重和环境污染已成为制约全球可持续发展的关键瓶颈，以化石能源为主体的传统能源结构对构建清洁低碳、高效安全的现代能源体系构成了巨大挑战。全球太阳能资源丰富，高效开发利用太阳能是解决世界能源与环境问题的关键途径。所建立的能量互补、品位耦合的全光谱太阳能梯级耦合利用理论和方法，突破了传统“光伏电池利用波段有限”和“太阳能直接光热低品位降级利用”的局限，为提高太阳能综合利用效率提供了重要基础理论与方法和技术支撑。

　　太阳等效黑体温度约为5800K，其发射的电磁波含有巨大的能量，具有极高的㶲值。目前，将其转换为50～600℃的热能在品位上显然有巨大损失，光伏电池的效率也只有约20%。传统太阳能利用方法只关心太阳能的“量”而忽略太阳能“品位”的局限，制约了太阳能全光谱利用水平和技术发展。该案例提出建立能量互补、品位耦合的全光谱太阳能梯级耦合利用理论和方法，因谱施用，为提高太阳光子综合利用效率提供了新途径。

　　为实现这一途径，必须在概念、理论和方法上有所创新。该案例从太阳能捕获、传输、转换和利用全链条出发，以尽可能减少太阳能全光谱转换利用过程的不可逆损失为突破口，提出了太阳能高效利用必须兼顾太阳能能量和品位基本属性的新思路。建立了全光谱太阳能高效捕获吸收和波长选择性光子利用方法，实现了太阳能全光谱高效捕获、电池工作波段光谱高吸收和非工作波段红外光谱高透射等多功能兼容的光子利用；建立了太阳能全光谱做功能力与转换极限的理论模型，阐明了太阳能利用过程中光—热—电多物理场耦合的能量传输与转换机制，提出了全光谱太阳能梯级耦合利用方法，研发了V型钙钛矿-硅光伏耦合、聚光光伏-相变-热电耦合和聚光光伏-光热化学互补新技术，从而实现全光谱太阳能梯级耦合利用，为科学有序推动我国“双碳”目标实现提供了重要理论、方法和技术支撑。

　　案例供稿部门：工程与材料科学部工程一处E06学科

　　案例审读人：中国科学院工程热物理研究所金红光；中国科学院电工研究所王志峰；中国科学院工程热物理研究所刘启斌

　　案例点评人：中国科学院工程热物理研究所  金红光

　　以上案例内容节选自《凝练科学问题案例》（科学出版社，2023）