为了应对环境污染和气候变化问题，人们越来越需要清洁和可再生能源来减少甚至替代传统的化石燃料。太阳能是最重要的可再生能源之一，因为它易于获取，具有清洁和无限潜力的优势。此外，太阳能可以通过光伏电池直接转化为最重要的能量形式——电能。传统单结太阳能电池的效率极限为33%，也称为Shockley-Queisser (S-Q)极限，远低于太阳能中的Landsberg极限(93%)和Carnot极限(95%)，因为太阳光谱的很大一部分能量不能用于单结太阳能电池的光电转换。此外，太阳能等可再生能源固有的间歇性也阻碍了光伏技术的大规模应用，甚至造成了大规模的弃光弃风现象。效率是光伏电池发展的关键指标，开发新型光伏电池的努力一直在进行，发电效率纪录不断被打破。最近的报告显示，光伏效率达到29.1%，非常接近S-Q极限，因此仅从材料的角度来看，效率的提升空间有限。减小S-Q极限与卡诺极限和兰茨伯格极限之间的差距也激励研究人员开发各种设计策略和概念，以充分利用太阳光谱。太阳光谱中光子能量低于或高于光伏电池带隙能量的部分，在光伏电池中作为废热消散。据研究，光伏电池温度每升高10 ℃，光伏电池效率相对下降4.5%，电池老化速度翻倍。虽然经过几十年的努力，光伏发电的效率有了长足的进步，其成本也低于光热发电，甚至接近燃煤发电，但由于没有足够的蓄能能力来实现连续发电，限制其大规模的应用。因此，长时间大规模储能是解决可再生能源间歇性问题的关键。

不幸的是，目前可用的储能技术无法满足效率、大功率和可持续性的要求。抽水蓄能是最成熟的蓄能方式，占现有蓄能容量的90%以上，但其安装受场地限制较强，不能广泛应用。电化学储能(如锂离子电池和铅酸电池)以其高能量密度和高往复效率而广泛应用于现代社会。但实际性能在环境温度的影响下会严重衰减，而且热失控、外部应力等因素严重影响电化学电池的安全性和使用寿命，其使用寿命普遍小于10年。对于电化学电池来说，最大的挑战是安装、更换和处置成本极其昂贵，限制了其在太阳能中的大规模应用。飞轮储能因其可靠性高、效率高、响应速度快，在间歇性可再生能源中得到越来越多的应用。然而，飞轮的自放电率很高(每小时高达20%)，因此只适合短期蓄能。压缩空气储能可以实现长时间、大规模的储能，但需要靠近大型地下空穴保存压缩空气，其可用性和可行性受到地质条件的制约。此外，还需要化石燃料来提高涡轮进口温度以提高发电效率，因此压缩空气储能仍然具有明显的碳足迹。另一种可用的零碳排放技术是绿氢储能技术，该技术可以方便地通过电解水制氢，但其往得效率在25%至45%之间，低于其他储能技术。此外，氢气作为一种极易燃的介质，在长期储存中也存在安全问题。

CO₂具有密度高、不易燃、粘度低、临界点低(31 ℃、7.4 MPa)、传热性能优异等特点。利用二氧化碳的独特特性来储存能量和减少碳排放比简单地将其作为温室气体捕获和掩埋更有意义。英国帝国理工学院郭江峰研究员提出了一种聚光分光谱光伏热技术与CO₂储能技术的组合系统，以最大限度地不间断地利用太阳能，实现基于太阳光谱特性的全光谱利用。研究了光伏材料、环境温度、光伏电池结数、压缩比等重要参数对组合系统性能的影响，并探讨了其作用机理。
   结果表明，该组合系统在以太阳能为代表的可再生能源中具有广阔的应用前景。对于常用的单结电池，从热力学第一定律的角度定义的往复效率一般在88%以上。从热力学第二定律的角度来看，往复效率高达90%以上。随着太阳能聚光比的增加和光伏电池材料带隙能的增加，这种组合系统的优越性变得更加明显。当光伏电池材料的带隙能大于1.2 eV时，涡轮在放电阶段产生的功率高于光伏板在充电阶段产生的功率，当电池材料的带隙能大于2.2 eV时，前者甚至是后者的两倍以上。总的太阳能利用效率平均比最常用的硅光伏板的相应光伏效率高18.9%，并且随着光伏电池带隙能的增加，差距也会增加。对于多结电池，光伏效率随着结数的增加而增加。 本研究提出的联合系统不仅可以实现太阳能大规模不间断运行，而且太阳能综合利用效率超过68%，优于目前大多数光伏和热发电系统的效率。
   以上研究成果发表在国际著名储能期刊《Journal of Energy Storage》上，论文详细信息如下所示：

Jiangfeng Guo*, Maximizing uninterrupted solar electricity in spectral-splitting photovoltaic-thermal systems integrated with CO2 battery, Journal of Energy Storage 66 (2023) 107402. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.107402 (通讯邮箱：gjf1200@126.com)

图1 太阳能光伏-热CO₂储能系统原理图

图2 太阳能光伏-热CO₂储能系统往返效率vs聚光比和带隙能