被动超浸润界面蒸发冷却技术实现单结光伏在10倍太阳浓度下的稳定运行

研究人员针对光伏系统在高浓度太阳光下过热和能量利用率低的问题，开发了一种基于超浸润黑色金属(SWBM)的界面蒸发光伏热系统。该系统通过集成具有开放微毛细结构的SWBM，实现了光伏组件在10倍太阳浓度(10-sun)下的稳定运行，同时产出731 Wm-2电能和10.1 kg m-2 h-1淡水，并实现零液体排放。这项技术为同时解决能源和水资源短缺提供了可持续方案。

　　

太阳能作为最丰富的可再生能源，其利用技术一直面临效率与成本的双重挑战。传统单结硅光伏(S-PV)虽成本低廉，但存在两个根本性缺陷：一是仅能有效利用与带隙匹配的光子能量，其余能量转化为废热导致效率下降（温度每升高1°C效率降低0.4%-0.8%）；二是功率密度受限，1 m²标准组件在1-sun光照下仅产生约100 W电能。虽然多结光伏(MC-PV)和聚光光伏(CPV)可提升效率，但前者成本高昂，后者因热管理难题难以普及。更关键的是，现有光伏系统未能有效利用占入射能量大部分的废热，造成资源浪费。

美国罗切斯特大学光学研究所(The Institute of Optics, University of Rochester)的Luheng Tang、Subhash C. Singh和Chunlei Guo团队在《Cell Reports Physical Science》发表研究，通过创新性地将飞秒激光制备的超浸润黑色金属(SWBM)热质交换器集成到光伏背面，开发出能同时发电、淡水和产盐的聚光光伏热(PVT)系统。该系统突破性地实现了单结光伏在10倍太阳浓度(10-sun)下的稳定运行，电能输出达731 Wm^-2，并同步实现10.1 kg m^-2 h^-1的海水淡化速率。

研究主要采用三项关键技术：1）飞秒激光加工制备具有开放微毛细结构的SWBM，实现快速水传输（初始速度4 cm/s）与高热辐射率（红外波段发射率0.84）；2）多机制耦合热管理，结合辐射、传导和蒸发冷却使光伏温度降低51.3%；3）太阳能跟踪集成设计，使系统能量收集效率提升51.4%。

SWBM设计与表征
通过飞秒激光在200μm铝箔上制造平行微沟槽和纳米结构，形成具有超浸润特性的黑色金属表面。该结构具有开放微毛细管，能快速输运水膜（1 cm/s），其红外发射率（0.84）显著高于普通光伏背面（0.60）。Washburn-Rideal模型验证显示，SWBM的水传输量足以支持40-sun下的蒸发需求。

1-sun下的界面热交换
对比四种冷却方案：单独光伏（39.3°C）、SWBM增强辐射/对流（38.4°C）、附加传导冷却（36.7°C）和全机制冷却（31.4°C）。SWBM使冷却功率达639 W/m²，光伏效率提升8.76%，显著优于单一冷却技术的文献报道值。

高浓度太阳光运行
在10-sun下，SWBM冷却使光伏温度升高速率降至6.37°C/sun（未冷却时为11.1°C/sun），电能输出持续增长至731 Wm^-2。24小时连续测试显示，冷却组开路电压(V_oc)稳定在1.2 V，而未冷却组半小时后即降至0.3 V。蒸发冷却功率随浓度线性增加，10-sun下达3.16 kW m^-2。

太阳能跟踪与海水淡化
系统对真实海水（大西洋、印度洋和太平洋水样）的淡化水质均达到WHO标准，Na⁺、Mg²⁺等离子浓度降低超99%。集成太阳跟踪后，全天发电量提升51.4%。SWBM的开放微结构还能将结晶盐自动输运至被动区域，实现零液体排放和盐回收，EDX分析证实收获盐含有Na、Mg、K、Ca等海洋矿物质。

该研究通过SWBM独特的"热-质协同管理"机制，首次实现单结聚光光伏的商业化可行方案。其价值体现在三方面：1）技术层面，突破传统多孔材料的热阻限制，使被动冷却效率媲美主动系统；2）应用层面，单位面积产出提升7倍，且实现水-电-盐三联产；3）环境层面，全被动运行适合离网部署，为资源短缺地区提供可持续解决方案。这种将前沿激光微纳加工技术与能源-水关联系统结合的研究范式，为可再生能源综合利用开辟了新途径。