综述：太阳能的全面全谱利用：光谱管理、混合系统及新兴应用综述

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Comprehensive Full-Spectrum Utilization of Solar Energy: A Review of Spectral Management, Hybrid Systems, and Emerging Applications

　　• 一个跨尺度框架将材料、分光器、系统和应用联系起来。
• 通过光谱分配、集成、输出和控制定义了三个发展阶段。
• 分光器的选择基于截止需求、角度容忍度和接收器类型进行比较。
• 耦合系统通过考虑边界感知的能源、有效能和燃料指标来评估。
• 动态运行、放大、生命周期限制和可测试目标也被纳入考虑范围。

引言
在全球致力于实现“双碳”目标的背景下，以及能源结构加速转型的背景下，太阳能作为一种随处可获取、储量丰富且环境友好的可再生能源，在能源结构的低碳转型中扮演着关键角色。目前，太阳能的利用主要涵盖三条路径：光伏、太阳能热转换和光化学转换。由于这些技术在光谱响应范围和能量转换方法上存在差异，每种技术在特定应用中都具有独特的优势；然而，太阳能光谱的利用仍然不足[1]。

在太阳能利用技术的发展过程中，早期研究主要集中在单一的能量转换路径上，逐渐形成了三种基础技术：光伏、太阳能热转换和光化学转换。光伏技术通过半导体中的光电效应将光直接转换为电能，并被广泛用于发电[2]。太阳能热技术将太阳辐射转化为热能，应用于建筑供暖、工业过程加热和热能储存[3],[4],[5]。光化学转换利用光生载流子或其他光诱导过程来驱动氢气生产、污染物降解和太阳能燃料合成等反应[6],[7],[8]。然而，由于这些技术在不同的光谱范围内效率最高，因此单一转换路径无法有效利用整个太阳光谱。在本综述中，光化学转换被作为一个总称，包括光催化和光电化学转换；第2.3节则重点介绍光催化作为代表性的光化学路径。

随着对太阳能利用研究的深入，研究者逐渐认识到，限制任何单一技术效率提升的关键因素不仅来自材料或设备本身，还与太阳光谱的宽带分布特性密切相关。为了确保分析的一致性，本综述采用AM1.5G参考太阳光谱（波长范围为250–2500 nm）。紫外线（250–400 nm）、可见光（400–700 nm）和近红外（700–2500 nm）区域分别占入射太阳能的约5%、43%和52%[9]。不同波长带之间的能量比例和光子能量的差异意味着光伏、太阳能热和光化学转换技术在光谱适用性上各有特点：光伏技术受半导体带隙限制；太阳能热技术更适合吸收低能量、宽带谱辐射；而光化学反应通常需要较高的光子能量和载流子分离效率。因此，根据不同波长带的能量特性选择最合适的转换路径成为高效利用太阳能研究的重点，标志着从“单一转换”向“光谱管理”的转变。

在Shockley和Queisser最初建立的详细平衡框架[10]下，理想的单结太阳能电池在AM1.5G光照下的最大理论效率约为33.16%，最优带隙约为1.34 eV[11]；而考虑内在复合效应时，单结晶硅的基本效率限制约为29.4%[12]；实际模块效率则是通过实验测量的模块级指标，而非理论极限[13]。对于PEC水分解，Guo等人报告的约8%的STH限制仅适用于在光腐蚀限制模型下的长期稳定单带隙电池，不应被解读为普遍的PEC限制[14]。

基于此，光谱分离技术和多技术耦合系统逐渐成为实现全光谱利用的关键发展方向。光谱分离技术利用反射、折射、衍射或吸收等物理过程将连续的太阳光谱分成不同的波段，将每个波段引导至光伏、太阳能热或光化学转换单元，从而实现能量的分层分配和各自优势的互补利用。例如，基于工程化量子点的大面积串联发光聚光器通过光谱分离可以提高光电转换效率[15]。与仅关注单一太阳能利用技术的研究相比，专注于全面利用整个太阳光谱的综述更能揭示不同技术之间的演变关系——从独立发展到协同耦合。它们还允许更清晰地比较光谱分离方法、耦合系统架构和应用场景之间的兼容性，从而为未来高效太阳能系统的设计提供更全面的理论基础。

为了术语的一致性，本综述采用以下操作定义：光谱管理是指修改、选择、分离或静态/动态分配入射太阳光谱不同部分的策略；光谱转换特指改变光子能量或波长的过程（如下转换和上转换）；光谱扩展则更广泛地指通过光子转换、宽带吸收或带结构调节来扩展单个转换单元的有效光谱响应；而光谱分离是指在不同波长带之间的空间分离及其分配，无需进行光子能量转换。只有当至少两种转换路径通过光谱分配、共享能量流、热或电交互或协调运行条件在功能上集成时，才被视为多能量耦合；简单平行放置的独立设备不被视为耦合。级联利用需要有意的多能量等级匹配，即通过顺序或层级协调的路径利用一个转换阶段的剩余光子或能量等级。全光谱利用在这里是实际意义上的，指的是通过适当的转换或光谱管理路径故意互补利用多个光谱区域，而不是完全转换每个入射光子。

本综述中识别出的三个发展阶段被视为技术演进的框架，而非严格的 chronological 序列，并通过六个可观察的描述符进行区分：能量转换路径的数量、光谱分配策略、集成水平、输出能量形式、控制要求和系统复杂性。在单一转换阶段，一个光伏、太阳能热或光化学路径提供主要能量输出，各个转换路径之间没有刻意的光谱分配；因此优化主要在材料或设备层面进行。光谱管理阶段引入了波长转换、选择性吸收或光谱分离，以调整入射光谱或有效响应，但保留一个主导转换路径或缺乏协调集成；这相对于单一转换系统引入了额外的光学或材料级复杂性。多能量耦合阶段是指通过光谱分配、共享能量流或协调运行条件，两种或更多不同的转换路径在功能上集成，产生多种能量或产品输出，从而需要系统级协调。因此，从单一转换到光谱管理再到多能量耦合的演变代表了越来越程度的有意光谱管理和功能集成，而不仅仅是简单的历史顺序。这些关系在图1(a)中进行了综合，该图将采用的AM1.5G光谱输入与从单一转换通过光谱管理到多能量耦合的演变过程以及相应的电、热和化学输出联系起来。

现有综述已经为太阳能利用的不同方面建立了丰富的知识基础，尽管它们的分析范围通常集中在特定的转换路径或系统配置上。关于光伏-热系统的综述主要讨论了集热器配置、冷却策略、工作流体、性能特性和应用条件[16]；而全光谱光谱分束光伏/热系统的综述则更具体地关注波长选择性光学组件以及电能和热能的协同生成[17]。相关分析工作还研究了集中式光谱分束光伏/热集热器和系统的效率极限[18]。更广泛的太阳能光谱适应综述总结了修改入射或可用光谱以改善太阳能转换的方法[9]。在太阳能驱动的化学转换领域，代表性综述集中在颗粒光催化水分解[19]和光催化二氧化碳转化为燃料[20]上。这些研究在其各自的技术领域内提供了相当深入的见解；然而，材料级光谱响应、设备级光谱分配、系统级多能量耦合和场景级工程要求很少在共同的分析框架内进行综合评估。另一个受到越来越多的关注的方面是在时变热条件和辐照度条件下的太阳能转换系统的瞬态运行。在组件层面，Lin等人[21]使用三维瞬态模型和连续小波分析研究了流形微通道光伏冷却，表明非等幅入口速度脉动可以周期性地扰乱和减薄热边界层，增强流体混合，并提高传热性能。这一观点也适用于全光谱耦合系统，在这些系统中，波动的辐照度、热惯性、主动冷却和下游负载变化可能导致电、热和化学子系统偏离其标称设计点；这些动态和非设计效应在第4.5节中有进一步讨论。

如表1所示，本综述的增量贡献在于建立了一个跨尺度框架，将材料级光谱响应和光谱扩展、设备级光谱管理和分离、系统级多能量耦合以及场景级工程部署联系起来。该框架不是直接对根本不同的转换路径进行排名，而是评估波长分配、转换路径、运行约束和最终使用要求之间的兼容性，从而为全光谱太阳能技术的选择和集成提供了设计导向的基础。

本次综述的主要文献搜索使用了Web of Science Core Collection和ScienceDirect，并更新至2026年6月。采用主题导向的搜索策略，结合了与全光谱太阳能利用、光伏、光热和光化学转换、光谱转换、光谱扩展、光谱分离、光谱管理和多能量耦合相关的关键词。为了反映当前的研究热点和技术发展，优先考虑了最近五年内发表的研究，同时保留了早期具有基础机制、关键概念和太阳能利用技术演变的重要研究。

文献选择主要基于研究是否通过可识别的策略解决了太阳能光谱不匹配问题（如扩展、转换、管理和重新分配可用光谱范围），而不仅仅是基于孤立性能指标的改进。因此，特别关注那些涉及扩展有效光谱响应、光子能量转换、宽带或选择性吸收、空间光谱分离和分配，或通过互补转换路径协调利用不同波长带的研究。当多项研究涉及类似的技术路径时，根据它们与光谱利用机制、材料或设备创新、系统集成和工程应用的相关性，优先考虑近期和有代表性的贡献。

为了定量评估，进一步根据报告的性能指标及其物理定义是否可以与主要运行条件、标准化基础和系统边界一起解释来评估代表性研究。理论效率极限、实验测量的电池或模块效率以及系统级能量或燃料转换效率被视为不同的基准类别，而实验、模拟和理论结果则相应地区分开。直接的数值比较仅限于转换目标、运行条件和评估边界足够相似的研究；异构结果则用于同一类别内的基准比较或作为代表性性能数据。

**光伏转换原理**
当能量高于半导体带隙的光子产生电子-空穴对时，光伏转换开始发生，这些电子-空穴对被结电场分离并收集为电流[22],[23]。然而，从全光谱的角度来看，主要限制是光谱不匹配，而不是基本的载流子生成过程：亚带隙光子被传输或仅被弱吸收，而带隙以上光子的多余能量大部分被耗散。

**太阳能光谱分离技术**
在讨论具体的光谱分离机制之前，需要区分光谱扩展和光谱分离。光谱扩展策略主要在单个转换单元内通过改变光子能量或拓宽材料的光谱响应来发挥作用，如通过下转换、上转换、宽带吸收和带结构调节所示。这些方法可以提高弱吸收波长带的利用效率。

**全光谱太阳能利用的耦合系统研究进展**
通过同时考虑多个维度，而不是依赖输出形式、反应路径或组件架构等单一标准，可以更一致地对耦合太阳能系统进行分类。光谱分配是一个特别重要的维度，因为光谱分束可以将不同波长的区域引导至具有互补光谱响应的转换器，从而实现入射太阳能量与光伏技术之间更适当的匹配。全谱太阳能利用的实际应用最终取决于光谱管理和耦合策略如何与特定终端使用场景的功能要求相匹配。通过协调利用紫外、可见光、近红外和中红外辐射，这些策略可以支持多种功能，包括光电转换、光热转换、光化学转换和光生物学反应 [198][199][200]。全谱太阳能利用旨在通过光谱扩展、光谱分束和多能源耦合，将不同的光谱区域与光伏、太阳能热学和光化学途径相匹配。本文重点介绍了三种基本利用途径——光伏、太阳能热学和光化学转换，并概述了光谱扩展材料、光谱分束设备、耦合系统架构及典型应用场景。总体而言，……

作者声明：他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能会影响本文所述的工作。

本工作得到了新疆高等学校基本科研业务费（项目编号：XJEDU2026J008）、国家自然科学基金（项目编号：12502145）以及电气工程博士后流动站创新基金研究项目（项目编号：XJU-DQGCBSHLDZ-2025001）的支持。

作者：刘胤军、张伟、田博通、马小静、胡胜华、孙明、刘兆军