新能源与高效节能

太阳能的高效利用是解决能源和环境问题的有效途径之一。染料敏化和钙钛矿太阳能电池是能将太阳能转化为电能的最新一代光伏器件，具有制作工艺简单、弱光照下能量转换效率高、可塑性强、易实现光电建筑一体化等优点，其中钙钛矿太阳能电池的能量转换效率已经达到25.7%，具有广阔的应用前景。然而太阳能电池发电仍存在诸多问题，如能量密度低，输电功率易受光照强度、地域、气候影响，偏远地区电能并网困难等。因此发展高效的太阳能光电转化与电能储存集成技术势在必行。首先，利用太阳能电池发出的电能，通过电化学方法制氢，把电能以氢能的形式储存起来，这是一种重要的电能储存方法。氢能具有洁净环保、热值高、易运输、利用形式多样等优点，是构筑面向可持续发展社会的低环境负荷能源体系的关键。氢能作为化学能的载能体，可以弥补电能难以大量储藏和远距离输送的缺点，起到与电互补的作用。此外，氢气又可通过燃料电池转化为电能，而这种电能是一种可携带的电，利用方便。其次，也可通过锂离子电池和超级电容器，把太阳能电池发出的电能以化学能的形式储存起来。因此，本项目拟将染料敏化或钙钛矿太阳能电池与电解水制氢（锂离子电池或超级电容器）设计为一套太阳能光电转化与电能储存的集成系统。如图 1 所示,其中太阳能电池作为能量转换端；电解水制氢体系、锂离子电池、超级电容器作为电能储存端。图 1 太阳能转化与储能集成系统示意图本项目紧密围绕国家能源战略，设计的集成系统集能源转换与储能功能于一身，通过染料敏化、钙钛矿太阳能电池与电解水制氢、锂离子电池、超级电容器之间的交叉研究工作，实现太阳能到电能的高效转化与储存，在国际能源转换与储能领域属前瞻性研究，正处于起步阶段。相信本项目的立项对占领光电转换与电能储存集成系统战略高地以及取得具有自主知识产权的集成器件和相关技术具有重要的推动作用。研究成果能解决光伏发电能量密度低，输电功率易受光照强度、地域、气候影响，偏远地区电能并网困难等现实问题，对缓解能源危机和保护环境具有重要的科学研究意义和社会价值。期望本项目对实现我国的“碳达峰”和“碳中和”的战略部署做出应有的贡献。本项目的新颖性如下：(1) 设计基于染料敏化/钙钛矿太阳能电池、锂离子电池、超级电容器以及电解水制氢的太阳能光电转化及电能储存集成系统，对于太阳能的高效、便捷、清洁利用具有前瞻性。研究成果对缓解能源危机、节能减排、偏远地区供电、无间断供电、应急供电、电子器件充电、光电建筑一体化具有重要的研究价值，因此研究思路具有新颖性；(2) 本项目拟设计合成廉价高效稳定的碳材料作为电极，并通过调节碳材料粒径、结构、导电性、功函等提高改善电极性能，对构筑高效、低成本的电极材料具有重要的指导意义，对器件的商业化应用具有前瞻性。(3) 项目涉及光电转换材料、储能材料、析氢材料、太阳能电池、二次电池、超级电容器等知识体系，是多领域交叉融合的先导性研究。

尽管本项目涉及的太阳能光电转换及电能储存集成系统处在概念验证阶段，但是开展太阳能电池与电解水制氢体系，锂离子电池、超级电容器融合的集成系统属于先导性、前瞻性研究。国际上，该领域的研究刚刚起步，相信本项目的立项对占领光电转换与电能储存集成系统战略高地以及取得具有自主知识产权的集成器件和相关核心技术具有重要的推动作用。研究成果能解决光伏发电能量密度低，输电功率易受光照强度、地域、气候影响，偏远地区电能并网困难等现实问题，目前市场上该光电转换与电能储存集成系统产品仍处于空白阶段，相信这种产品未来有巨大的市场需求。此外，在人才培养方面，本项目将着眼青年研究骨干的培养，提升团队的总体研究水平，实现科学研究的可持续性发展，最终通过本项目把团队建设成在能源材料器件领域有国际影响的优秀团队。