一、成果名称

1.光伏新能源未来器件理论新范式及产业突破口探索

2.大面积柔性CIGS薄膜太阳电池

3.大气压等离子体水污染治理及饮用水消毒

4.分布式串联太阳能供暖

5.功能化量子点水质检测与生物环保抑尘剂的多场景应用

6.碱性光伏电解槽助力“站用加氢及储氢设施销售”

7.先进储能技术研发与智慧城市生活产品制造

8.“自然光驱动光热催化二氧化碳资源化应用”项目

二、成果简介

1.光伏新能源未来器件理论新范式及产业突破口探索

受限于一个光子至多转换为一个电子-空穴对的理论范式，传统的pn结太阳电池已经接近了其转换效率的理论极限，探索具有新原理的太阳电池是推动光伏产业发展的当务之急。基于申请人前期研究的新钝化技术和碳纳米管/硅异质结太阳电池，本项目拟研究一种新的电池结构和机理，构建可能打破传统电池理论极限的新型太阳电池。具体包括：构建一种势阱缺陷填充和传输通道共存的电荷输运新模式，以取代传统 pn 结，摆脱电池表面缺陷钝化导致载流子传输受阻的困境，进而构建全新的器件结构；通过逆俄歇效应增强电池外量子效率，实现一个光子产生两电子-空穴对的反常光伏效应，使突破光电转换效率极限成为可能。

项目预期的目标是揭示逆俄歇效应增强光伏效应的界面态构筑原理和电荷转移机制，明确新型太阳能电池的工作原理，厘清反常外量子效率的光伏新原理。

本项目对于光伏应用领域具有重要意义，特别是光伏电站、建筑光伏一体化和光电探测器等应用场景。预期价值方面，本项目将为光伏产业化技术研发提供新的理论支持、参考指导和技术储备，为减少我国化石燃料依赖和实现“双碳”战略目标做出贡献。

2.大面积柔性CIGS薄膜太阳电池

在不锈钢衬底上研发了效率超过18%的大面积CIGS柔性太阳电池，相对于刚性衬底太阳电池，柔性衬底CIGS薄膜太阳电池具有高功率重量比、轻便、可携带，便于集成，安装方便和弱光适应能力强，能够在弱光环境工作等特点。

CIGS薄膜太阳电池的工作原理为半导体PN结的光生伏特效应。当太阳光照射太阳电池表面时，部分光子被CIGS材料吸收，光子能量使CIGS晶体材料中的电子发生跃迁形成自由电子，在内建电场的驱动下，电子定向运动在PN结两侧形成电位差，当外部电路接通时,在电位差的作用产生电流。

本研究成果可以将光伏能源与现代建筑相融合，以雄安建筑为CIGS光伏组件的承载体，在雄安科创中心和大学园图书馆等建筑建设光伏建筑一体化示范性工程，每年可为雄安新区提供600万度清洁电力，减少4000吨的二氧化碳排放。同时，由于柔性太阳电池高质量比功率和弯曲表面适应性等特点，该技术可与无人机、巡检机器人和移动电车等城市公用设备相融合，开发适合新型城市需求的电源供给系统，为一体化智能交通系统提供能源支持，每年可产生清洁电力300万度，减少2000吨的二氧化碳排放。

图1：实验室制备的CIGS太阳电池

图2：CIGS太阳电池性能测试

图3：CIGS太阳电池在航天领域的应用场景

3.大气压等离子体水污染治理及饮用水消毒

近年来，随着我国工业快速发展和城市化进程的加速，产生了大量的工业废水和生活污水。就雄安地区而言，白洋淀上游下泄流量不足，污水通过河道排放到淀区，致使其水体富营养化日趋严重，水华发生的频率与严重程度都呈现迅猛的增长趋势。水域环境的富营养化严重损害了白洋淀的环境和资源属性。关于饮用水方面，目前我国基本采用氯气实现自来水消毒，但其消毒副产物对人体具有毒害作用，且影响口感。比如，氯酚具有臭味，而三氯甲烷主要可以对中枢神经系统产生麻醉作用,也对心、肝、肾具有明显的毒性、致癌性及致畸性。目前，西方发达国家的自来水大多采用臭氧消毒，而我国的瓶装水也采用臭氧消毒。虽然臭氧比氯消毒具有一定的先进性，但仍然有一些问题，比如它不具备持续的消毒能力。相比于氯气和臭氧，羟基具有更高的氧化电位，即更强的消毒杀菌作用，并且羟基能长时间存在于水中，即有持续的消毒能力。针对于此，本课题组利用大气压强放电低温等离子体，通过产生高浓度羟基自由基（高级氧化技术）实现对水中有机物、细菌和微生物进行高效降解和消杀（见下图）。

图4：大气压放电的发射光谱及羟基强度随电流的变化关系

图5：大气压辉光放电产生过氧化氢浓度随实验参数的变化规律

该方法只消耗一定的电能，不产生毒副产物，是一种纯绿色的先进技术。关于高级氧化技术，课题组已经具有多年的积累，与石家庄嘉诚环保公司合作，开展了利用高压电源进行细胞破壁研究，提高了生活污水生产沼气效率六倍以上。与河北长孚集团合作开展等离子体杀灭细菌的研究，揭示了低温等离子体的灭菌机理。此外，课题组和国内从事等离子体高级氧化技术的研究团队有密切的交流和合作。其中包括大连海事大学张芝涛、俞哲研究团队，该团队利用等离子体高级氧化技术处理大型船舶的压舱水及饮用水的净化研究处于国内领先水平。长江学者白敏冬领衔的天津大学低温等离子体团队，该团队在高级氧化技术治理海洋赤潮方面研究成果丰硕。

4.分布式串联太阳能供暖

“串联式地热与太阳能动态互补供热系统研究”：本项目旨在集成地热井井水、太阳能热利用以及跨季节热能储存技术，实现可再生能源的规模化、低成本和连续稳定利用，为清洁能源供暖提供新的方案。通过将地热井中的地热水和太阳能集热器互补实现跨季节供热，可以在供暖季节结合地热井和太阳能进行联合供暖。在非采暖季节，可以利用太阳能储存热能于地热井中，实现跨季节的热能储存，从而最大化太阳能光热系统的年利用率和投资效益。

图6：新型太阳能光热转换系统示范工程

通过地热与太阳能的互补利用，在供暖季可实现规模化、低成本、连续稳定利用可再生能源进行清洁能源供暖，在非采暖季可将丰富的太阳能以热能的形式储存于地热井，进行跨季储热，实现太阳能光热系统的年利用率最大化，投资效益的最大化，克服了地域条件的限制。

（1）新型太阳能光热转换系统的构建

①光热转换系统的光热材料选择及其光吸收和热输出能力的调控

②新型太阳能光热转换系统的构建实现光辐照高温热源

（2）新型太阳能光热转换系统边框的构建，选用口字型铝合金，此材料轻便、耐用，而且具有良好的导热性能，有助于提高太阳能光热转换系统的效率。

（3）储水区的构建及优化，摒弃传统的内置管道，采用高热传导率的材料构建吸热板下方的储水区。

图7: 新型太阳能光热转换系统结构

5.功能化量子点水质检测与生物环保抑尘剂的多场景应用

现阶段，水质污染问题已成为全世界水资源保护的难题。在我国经济快速发展的同时也伴随着水体污染越发严峻，已经到了刻不容缓的地步。由于饮用水水质直接关系到国民健康及生命安全，在建设部、卫生部及国家标准委员会的共同参与下，国家的战略倾向促使了水质快速检测技术在检测方法、仪器、设备等方面快速发展。但是仍存在前处理繁琐、仪器操作过程复杂、需要要有专业人员操作等缺点。本技术通过改进量子点制备工艺合成绿色无污染的新型量子点材料，利用量子点对水样的荧光颜色和强度判断水样中污染物的种类和含量，经过数据处理之后利用云网络传送到实时监控终端设备并进行分析。

图8：功能化量子点远程水质检测示意图

制备灵敏度更高、特异性更强、检测速度更快的量子点传感器，实现环境中多种污染物同时快速检测，并尝试基于量子点传感器结合信号采集与控制技术和物联网技术构建智能水质检测传感网络，实现水源水、城市污水、自来水厂进水中污染物快速在线检测，全面反映水体安全状况，为城市供水安全和水体风险防控提供技术支持。

本产品因造价低、操作简便等优势，可以在水质检测过程中节省大量人力物力。相对于检测机构单次上千元的检测费用，本产品单次检测成本在三百元左右；按白洋淀单次检测100个取样点、每月检测五次计算，本产品每年可节约检测成本420万元左右。

6.碱性光伏电解槽助力“站用加氢及储氢设施销售”

申请人拟对接中国雄安集团的智慧能源有限公司在“站用加氢及储氢设施销售”等方面的研究。

氢气具有密度小和高度易燃易爆等特点，使得氢能的储运成本过高，安全性能差。如果在“站用加氢及储氢设施销售”方面建立完善的光伏制氢装置，实现氢气的现场快速制备-加气一体化，省略储存和运输环节，将更有利于实现氢能源的商业化利用。然而目前光伏制氢的发展需要借助整流设备和电网来完成，即需要将光伏产生的直流电通过整流设备转变为交流电后并入电网，再通过整流设备将电网的交流电转变为交流电后耦合碱性电解槽使用，而无法实现光伏电站和碱性电解槽的直接耦合。这是因为光伏电站产生的直流电具有间隙性、不稳定性和不可持续性，直接耦合碱性电解槽会带来设备过热甚至爆炸等的风险。申请人旨在研制高效、高选择性的亲水疏气阴离子交换膜，实现阴离子的快速转移和阴/阳极产生的气体的完全阻隔，进而实现光伏电站和碱性电解槽的直接偶联。

本项目立足“双碳”领域国际研究前沿，瞄准国家重大战略需求，基于多学科交叉融合，聚焦催化材料和器件设计中的关键科学问题与技术挑战，通过新型催化剂开发和表面改性实现高活性、高稳定性、高选择性的光伏碱性电解水反应制备氢能，以促进能源结构的不断优化，满足新时代低碳产业与绿色经济发展的共性需求。该项目的成功实施不仅有助于加强技术转化和技术储备，为相关产业提供新的催化剂、反应装置以及理论体系等，有效推动应用研究和科技成果转化。同时，提高自主创新能力，提高我国在该领域的国际竞争力。

7.先进储能技术研发与智慧城市生活产品制造

团队目前具备的技术和产品主要有以下三个方面：

（1）研制出一套完善健全的健康监测智能化系统，该系统选用了多功能传感技术、云计算技术、物联网技术、移动互联等优秀技术，实现管理端、医护端、用户端高效实时互动，系统结构如下图所示。可以轻松对接个性化医疗服务、智能化养老、智能家居等多种实际应用场景。

图9：健康监测智能化系统

（2）研制出预测和诊断心血管疾病的手环，该手环可以成功预测三分钟之后的心跳波形，准确率达到98%以上，一旦判断出现心血管疾病风险，手环可以自动报警，并提供心血管疾病救助一站式服务。手环结构以及标准心跳波形展示在下图。

图10：柔性智能传感器集成系统

3. 研制出液态和全固态锂离子电池的可再生回收技术。经过处理废旧电池隔膜技术进行锂离子电池的再生，再生后的电池表现出相当大的容量恢复和超过1000次循环的优异长循环稳定性，相比于传统的正极材料再生，这种技术不需要从铝（Al）箔中分离活性材料繁琐的工艺，大大降低了正极材料的再生成本，并最大化的利用了废旧电极的剩余价值，为处理低成本的废旧锂离子电池提供了启示。

图11：再生电池应用

8.“自然光驱动光热催化二氧化碳资源化应用”项目

烯烃是人类生活、生产最重要的化学基础原料之一，可用于化妆品、药物和塑料生产等。我们通过设计常压、低温催化剂和高效光热管理，成功实现了一种可在低密度太阳能环境中运行的光热CO2加氢制高附加值烯烃系统。

光热催化CO2加氢生产多碳烯烃的原理是通过光催化和热催化的协同作用，将CO2和氢气转化为多碳烯烃。在光催化过程中，光催化剂在光照下产生高能电子和空穴，电子促进氢气分子的活化生成活性氢物种，而热催化则通过提高反应温度，增强CO2分子的活化及其与氢气的反应效率。首先，CO2在催化剂表面吸附并与氢气发生加氢反应，生成CO或CHx等中间产物，这些中间物质经过进一步的反应，如费-托合成（Fischer-Tropsch synthesis），逐步形成高附加值烯烃。通过调控催化剂的性质和反应条件，能够有效提升反应的选择性，优先合成多碳烯烃（C2+ olefins）。双功能催化剂（如金属-氧化物催化剂）在这一过程中起到重要作用，既有助于CO2的活化和氢化反应，也能促进碳-碳键的生成，从而提高多碳烯烃的产率。光热催化的优势在于利用光能和热能的协同效应，在温和条件下实现高效、可控的CO2转化反应。

设计开发一种新型的光热反应器件，既能吸收阳光，又能最大限度地利用光热转换。当高效催化剂被光激发时，催化剂在低于1个太阳光照下（1W m-2）表现出超高效烯烃生成速率；串联在线质谱和收集装置，表现出稳定且长时间的烯烃生成。此外，通过放大系统，使其在连续的晴天稳定运行室外光热CO2加氢制烯烃，展示了系统的可扩展性和实际应用。该技术的大规模应用将有效助力新能源企业的CO2减排和资源化利用等工作，对实现“双碳”目标具有重要意义。

在实现碳中和目标的过程中，光热催化技术为CO2减排和资源化利用提供了重要解决方案。通过设计先进的光热催化系统，能够在户外利用自然光，将CO2与氢气高效转化为高附加值的多碳烯烃。该系统不仅可以在晴天高效运行，还能在阴天或夜间持续保持稳定的烯烃生成。这项技术尤其适用于智慧能源公司在绿色化工领域的应用，如CO2的资源化利用、可再生能源驱动的工业生产等，有助于减少传统化石能源的依赖，实现可持续的化工产品制造，助力“双碳”目标的达成。希望通过进一步放大系统规模，该技术可以广泛应用于大规模工业化生产，并推动能源结构的绿色转型。

图12：自然光室外光热反应装置串联在线质谱

图:13：室外光热催化反应评价装置

该项目的实施将产生显著的环境和经济效益。首先，通过高效利用自然光进行CO2的光热催化转化，有望大幅减少工业过程中的碳排放，从而助力国家碳中和目标的实现。与此同时，CO2被转化为高附加值的化学品如多碳烯烃，能够为石化、化工等行业提供重要的原材料，这将减少对传统化石资源的依赖，推动资源的可持续利用。该技术不仅在晴天条件下表现优异，且在阴天和夜间仍具备稳定的催化效果，确保了生产过程的连续性和高效性，具有良好的市场推广潜力。

此外，通过大规模应用该技术，工业企业可降低碳排放成本，减少碳交易支出，同时因资源化转化产品的高附加值，实现经济收益的提升。智慧能源领域将能够借助这一技术有效利用CO2资源，在绿色能源转型过程中扮演重要角色，最终促进“双碳”目标的达成。