特稿 2012年度国际能源科技发展态势综述 受到资源约束(包括资源储量耗减、地缘政治失稳)、环境影响(包括气候变化、 环境污染)、科学认知与技术进步等因素的推动,世界能源结构正在转向绿色低碳髙 效多元的新能源体系,使得转型过程中所面临的化石能源清洁高效利用、新能源低 成本高效开发、基础设施升级改造等科技问题得以凸显。研究发展新能源和低碳技 术,实施科技创新是保障能源安全、改善能源结构、实现节能减排和保护环境的重 要手段。美欧日等发达国家和地区基于对上述问题的认知,不断加强科技投入力度, 期望通过能源领域的科技创新改造现有的能源结构,推动新型能源产业的增长,占 据能源科技制高点。 1低碳能源高效低成本发展趋势 能源结构向低碳和近零排放的演化,使得发展包括太阳能、风能、核能技术等 在内的低碳能源供应系统成为全球能源领域的一个重要方向,这方面的科技发展重 点集中在解决低碳能源利用的高效性、稳定性、经济性和安全性, 太阳能是地球上可利用的存量最多的能源资源,但其能源密度较低并且具有间 歇性,使得当前大规模利用的成本和技术难度较高。需要解决的关键科学问题包括: 可见光乃至太阳宽光谱高效吸收、光诱导电子转移和电荷高效分离、认识电荷高效 传输和长寿命的规律、光生电子空穴高效参与化学反应和引入电路系统。由此涉及 到新型捕光材料合成、新型光-电转化体系设计、新型光-热-电转化体系设计、新型 催化转化体系设计等核心技术开发,并利用超快光谱表征与理论计算手段作为支撑。 目前的研究热点和趋势集中在:(1)开发高质量低维纳米光伏材料和优化器件结构 设计,实现太阳光谱全谱高效吸收,提高转换效率。如美国国家可再生能源实验室 通过控制纳米结构中载流子再结合,开发几乎能响应全太阳光谱的黑硅太阳电池 达到此类型太阳电池182%的效率纪录;斯坦福大学利用碳纳米管和富勒烯作为吸 光层材料,石墨烯和单壁碳纳米管作为电极材料,制成全球首块全碳太阳电池,吸 收红外光,可与传统太阳电池串联对全太阳光谱加以利用;夏普公司通过优化电池 结构,其聚光和非聚光型IV族化合物三结太阳电池均创造了最高转化效率纪录, 分别达到435%和377%。(2)提高有机太阳电池的效率和稳定性,设计和合成宽 吸收和高迁移率有机光伏材料。如美日联合研究团队将窄带隙共轭聚合物材料与 P3HT:IC60BA体系进行有效能级匹配,制成叠层有机太阳电池,实现了10.6%的转 换效率纪录;东京大学制出全球最薄最轻的有机太阳电池,厚度仅约19μm,最大 曲率半径为35μm,甚至可缠绕在头发上。(3)自然界光合作用PSI系统反应机理 22 特稿 2012 年度国际能源科技发展态势综述 受到资源约束（包括资源储量耗减、地缘政治失稳）、环境影响（包括气候变化、 环境污染）、科学认知与技术进步等因素的推动，世界能源结构正在转向绿色低碳高 效多元的新能源体系，使得转型过程中所面临的化石能源清洁高效利用、新能源低 成本高效开发、基础设施升级改造等科技问题得以凸显。研究发展新能源和低碳技 术，实施科技创新是保障能源安全、改善能源结构、实现节能减排和保护环境的重 要手段。美欧日等发达国家和地区基于对上述问题的认知，不断加强科技投入力度， 期望通过能源领域的科技创新改造现有的能源结构，推动新型能源产业的增长，占 据能源科技制高点。 1 低碳能源高效低成本发展趋势 能源结构向低碳和近零排放的演化，使得发展包括太阳能、风能、核能技术等 在内的低碳能源供应系统成为全球能源领域的一个重要方向，这方面的科技发展重 点集中在解决低碳能源利用的高效性、稳定性、经济性和安全性。 太阳能是地球上可利用的存量最多的能源资源，但其能源密度较低并且具有间 歇性，使得当前大规模利用的成本和技术难度较高。需要解决的关键科学问题包括： 可见光乃至太阳宽光谱高效吸收、光诱导电子转移和电荷高效分离、认识电荷高效 传输和长寿命的规律、光生电子/空穴高效参与化学反应和引入电路系统。由此涉及 到新型捕光材料合成、新型光-电转化体系设计、新型光-热-电转化体系设计、新型 催化转化体系设计等核心技术开发，并利用超快光谱表征与理论计算手段作为支撑。 目前的研究热点和趋势集中在：（1）开发高质量低维纳米光伏材料和优化器件结构 设计，实现太阳光谱全谱高效吸收，提高转换效率。如美国国家可再生能源实验室 通过控制纳米结构中载流子再结合，开发几乎能响应全太阳光谱的黑硅太阳电池， 达到此类型太阳电池 18.2%的效率纪录；斯坦福大学利用碳纳米管和富勒烯作为吸 光层材料，石墨烯和单壁碳纳米管作为电极材料，制成全球首块全碳太阳电池，吸 收红外光，可与传统太阳电池串联对全太阳光谱加以利用；夏普公司通过优化电池 结构，其聚光和非聚光型 III-V 族化合物三结太阳电池均创造了最高转化效率纪录， 分别达到 43.5%和 37.7%。（2）提高有机太阳电池的效率和稳定性，设计和合成宽 吸收和高迁移率有机光伏材料。如美日联合研究团队将窄带隙共轭聚合物材料与 P3HT: IC60BA 体系进行有效能级匹配，制成叠层有机太阳电池，实现了 10.6%的转 换效率纪录；东京大学制出全球最薄最轻的有机太阳电池，厚度仅约 1.9 μm，最大 曲率半径为 35 μm，甚至可缠绕在头发上。（3）自然界光合作用 PSII 系统反应机理