基于前侧耦合策略的光热协同调控实现太阳能水电联产高效转化

针对传统背侧耦合(BSC)光伏-蒸发系统存在的热管理不足和光能利用率低等问题，南方科技大学林梦团队创新性提出前侧耦合(FSC)策略，通过2mm水膜的光热协同调控，实现19.1%光伏效率(ηPV)和4.27 kg m-2 h-1蒸发速率(revap)，为水电联产系统提供了可扩展的高效解决方案。

　　

全球正面临日益严峻的水资源短缺和能源需求增长双重挑战。传统太阳能利用技术往往将发电与净水分开处理，导致能量利用率低下。特别是在光伏-蒸发集成系统中，背侧耦合(BSC)设计存在固有缺陷：光伏(PV)电池作为主要吸热体导致温度过高，红外波段(IR)能量利用率不足，且存在发电与蒸发的最佳工作温度矛盾。这些瓶颈严重制约了太阳能水电联产系统的实际应用效率。

南方科技大学机械与能源工程系的研究团队在《Cell Reports Physical Science》发表创新成果，提出前侧耦合(FSC)策略，通过精确控制光伏电池前表面的水膜厚度(H_wf)，实现了光热协同调控的突破。该研究建立电流损失模型结合外量子效率(EQE)分析，确定2mm为最优水膜厚度，开发九级蒸发器(MSFSC)系统，在1太阳光照(1 kW m^-2)下取得η_PV=19.1%和r_evap=4.27 kg m^-2 h^-1的性能指标。户外实验证实，相较传统BSC系统，FSC策略使蒸发速率和发电效率分别相对提升18%和46%。

研究采用三大关键技术：(1)通过EQE测试和电流损失模型优化水膜厚度；(2)构建多级蒸发器实现潜热梯级利用；(3)采用聚四氟乙烯(PTFE)疏水膜实现汽液分离。实验系统包含50×50 mm单晶硅光伏电池，通过蠕动泵精确控制水膜厚度，利用红外热像仪监测温度分布。

光热协同调控机制显示，2mm水膜具有三重功能：作为冷却介质降低PV温度；吸收1200-2500nm红外波段；利用水(1.33)与硅(3.42)的折射率梯度减少反射损失。理论分析表明，当H_wf从0增至1mm时，1200-2500nm波段吸收率绝对值提升8.37%，而反射损失降低4.18%。

实验验证发现，H_wf=2mm时系统达到最佳平衡：完全覆盖PV表面避免局部过热，同时维持17.91%的η_PV。多级蒸发器设计显著提升性能，九级系统使r_evap从单级的0.62增至3.09 kg m^-2 h^-1，添加冷却层后进一步提升至4.27 kg m^-2 h^-1。

该研究通过创新性的FSC策略，成功解决了光伏-蒸发系统集成中的核心矛盾。水膜将系统最高温区从PV转移至水膜本身，同时实现光谱分频和热管理优化。九级MSFSC系统在模拟海水中稳定运行52小时，平均η_PV=18.75%±1.43%，技术经济分析显示投资回收期可缩短至2.3年。这项研究为太阳能驱动的水电联产系统提供了新的设计范式，对缓解全球水电危机具有重要实践意义。