近日，中国科学院大连化学物理研究所分子催化与原位表征研究组(503组)李灿院士团队在太阳能光热转换研究领域取得新进展，通过对典型宽禁带半导体二氧化钛进行过渡金属-非金属共掺杂，在其带隙中构建离散的中间能带(Intermediate band)，实现高效光吸收与光热转换，并揭示了缺陷态调控非辐射产热机制，为发展高性能光热材料提供了新思路。
太阳能作为重要的清洁可再生能源，其高效转换利用是人类实现碳中和的重要途径。光热转换技术能够直接利用太阳能，在聚焦太阳能发电、海水淡化和光热催化等领域展现出广阔的应用前景。其中，太阳能水蒸发技术作为一种便捷、高效地获取淡水资源的方式，受到广泛关注。然而，传统半导体基材料的光热转换受限于其宽带隙导致的低吸光效率，以及非辐射复合等问题，限制了光热转换效率的进一步提升。
李灿团队长期致力于太阳能光催化、光电催化、电催化、光伏发电等太阳能转化科学与技术的研究。近期，团队也在太阳能光热转化领域进行了大量探索研究，在热化学循环制氢，光伏-热电耦合发电等方向取得系列进展。本工作从光热转换的本征物理过程出发，通过结构调控引入不同性质的捕获态/缺陷态(Trap/Defect states)作为光生电子-空穴的复合位点，提升了非辐射弛豫效率，实现了全太阳光谱的高效吸收与转换，为太阳能水蒸发等应用开辟了新途径。
李灿团队在前期工作中提出了太阳能分光谱区间热转换利用策略，通过测定太阳光谱各区间的本征光热转换效率，发现紫外光区是转换效率的瓶颈；并通过非金属掺杂，将半导体在紫外光区的转换效率从65%提升到82%(ACS Appl. Energy Mater.，2024)。在本工作中，团队进一步通过对二氧化钛(TiO2)进行铬(Cr)、氮(N)共掺杂，发现掺杂元素Cr、N在TiO2晶格中形成了Cr-N结构单元。实验证实，Cr 3d与N 2p轨道之间的d–p杂化作用在TiO2带隙中构建了中间能带IBs，充当电子-空穴复合位点，使得其能对紫外光利用效率达到92.5%，并在全太阳光谱(250至2500 nm)区间范围内实现93.4 %的高吸收效率，以及97.9%的光热转换效率。基于该材料制备的三维水蒸发器在一个太阳的标准光强下，能够实现4.59 kg m-2 h-1的水蒸发速率和94.7%的太阳能水蒸发效率。户外实验表明，1m2蒸发器日均可产生约40 kg淡水，可满足20名成年人的日常饮水需求，展现出了实际应用潜力。
相关研究进展以“Structure regulation of TiO2 with transition metal nitride units towards efficient solar energy harvesting”为题，于近日发表在《化学工程杂志》(Chemical Engineering Journal)上。该工作的共同第一作者是我所503组博士研究生胡芯和助理研究员王升扬。以上工作得到国家自然科学基金委“人工光合成”基础科学中心、国家重点研发计划等项目的资助。
