淡水资源短缺和能源匮乏已引起了全球范围内的广泛关注，并对人类和生态系统的可持续发展带来了巨大的影响。目前，太阳能驱动的界面蒸发技术已成为一种新型高效的光热转换与清洁水生产技术。同时，光伏技术是目前利用太阳能实现光电转换的主要技术之一。近年来，将太阳能驱动界面蒸发与光伏电池结合成为了太阳能转换技术的研究热点之一，以晶体硅为基础的太阳能电池已被应用于水电联产系统，其相较于其他技术（热电、压电和摩擦发电等），具有相对高的电功率密度，可用于向偏远地区同时提供可持续电能和清洁水。但是，硅电池的一些固有的缺陷也制约着硅基太阳能水电联产系统的进一步发展。
为了发掘水电联产新技术并将太阳能技术与海洋科学结合，中国海洋大学徐晓峰教授课题组利用不透明聚合物太阳能电池（PSCs）和半透明聚合物太阳能电池（ST-PSCs）制备了一系列基于PSC/SG体系的太阳能水电联产器件，表征和比较了不同器件中的太阳能光电转换、光热转换、能量转移和能量损失等。PSC/SG体系采用了倒置的器件结构（PSCs在上，SGs在下），利用ST-PSC的半透明性和在太阳光照射下产生的热量，使系统在保证一定光电转换效率的同时实现了高的水蒸发速率（图1）。该系统在1个太阳光的照射下同时实现了122 W m−2的光功率输出和1.30 kg m−2 h−1的稳定水蒸发速率，提高了总的太阳能转换效率（88.8%）。
图1. 基于倒置结构的PSC/SG水电联产系统的原理图
该成果以“Synergistic Solar-Powered Water-Electricity Generation via Rational Integration of Semitransparent Photovoltaics and Interfacial Steam Generators”为题，发表在《Journal of Material Chemistry A》上（DOI: 10.1039/D1TA06255G）。论文的通讯作者是中国海洋大学材料学院徐晓峰教授和英国剑桥大学Petri Murto 博士，第一作者是中国海洋大学材料学院硕士研究生季清同学。
1. 器件制造与结构表征
图2. (a) PSC/SG器件结构和工作原理; (b) 蒸发体的形貌表征; (c) 单个SG、单个ST-PSC和多种PSC/SG系统的原理图
本文制备了一系列PSCs和ST-PSCs器件，PSCs能吸收可见光和近红外区域的光，并将其转换成电能（图2）。SGs被放置在PSCs下方，利用透过ST-PSCs的光和光伏电池产生的热量实现界面蒸发。在一个太阳的（1000 W m−2）照射下，基于PM6: Y6的不透明PSC的光电转换效率（PCElight -to-electricity）为15.1%，半透明ST-PSCs的PCElight -to-electricity为12.2%。计算了ST-PSC在350−1000nm和1000−2500nm波长范围内的有效透射率分别为20.3%和18.9%。光学和光伏性能特性表明，基于PM6:Y6的ST-PSCs在光电转换和光透射之间实现了有效的平衡。
2. 蒸发性能测试
图3. (a) 水的质量变化曲线；(b) 不同器件的水蒸发速率和PCElight-to-heat；(c)不同器件的PCElight -to-electricity、PCElight -to-heat和总太阳能转换效率；(d) 文献报道的各类水电联产系统的水蒸发速率和电功率密度; (e) ST-PSC/P-NC1器件的长期稳定性测试; (f) ST-PSC/P-NC1器件的海水淡化测试
制备的ST-PSC/P-NC1体系可以同时利用ST-PSC发电过程中产生的热量和透过电池的部分光线实现界面蒸发和清洁水收集（图3）。由于蒸发能带走光伏电池产生的余热，也有利于延长光伏电池的长期使用寿命。在一个太阳的（1000 W m−2）照射下，ST-PSC/P-NC1器件实现了1.30 kg m−2 h−1的水蒸发速率，高于PSC/SG和ST-PSC/P-NC2体系的0.89和0.82 kg m−2 h−1。虽然单个SG的PCElight -to-heat为82.6%，高于ST-PSC/P-NC1体系的76.6%，但结合ST-PSC中12.2%的光电转换效率，使总的太阳能转换效率提高到88.8%，实现了相对高效的太阳能利用效率，并实现了速率为0.73 kg m−2 h−1的清洁水收集。本文对ST-PSC/P-NC1体系在太阳光下长时间的稳定性和海水淡化中应用也进行了测试。
3. 能量传递与能量损失计算
图4. 太阳能能量传递途径示意图
本文对多类系统的能量平衡进行了分析，研究了不同器件结构中的太阳能摄入、转换、转移和损耗（图4）。能量损失可分为光损耗和热损失两种途径。光学损失主要是由于ST-PSC和SGs表面的反射损失，热损失分为辐射、对流和传导等。对能量平衡的分析阐明了ST-PSC/P-NC1的结构设计相比其他器件的优势，突出了在倒置器件结构中将半透明光伏与界面蒸发结合的独特优势。本项工作首次将半透明有机光伏和界面蒸发结合，将太阳能转化为清洁的电力和实现可持续的饮用水生产，为水电联产技术的发展提供了新思路。
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