太阳能光热转化利用是指将太阳辐射转化成为热能进行包括发电、工业生产、建筑民生领域等多方面的利用过程。该研究涵盖了从基础材料研发到工程应用等多个方面，产业链条长，包含材料科学、光学、工程热物理、能源动力工程等多个学科，同时可以与光伏、风电、生物质等多种可再生能源耦合，最终构建低碳能源网络。太阳能光热是公认的极具前景的零碳能量来源。如何提高能量利用效率，降低光热发电以及其利用成本，提高系统整体的可靠性是全世界学术和工业界关注并全力投入解决的问题，旨在实现各国降碳减排的目标。中国科学院大连化学物理研究所太阳能部（DNL16）以基础研究为先导，致力于将太阳能转化为化学能和电能的研究，部署了光催化，光电催化以及相关器件研究等一系列基础研究。太阳能光热发电及应用作为近期新兴且重要的研究和产业化方向，受到了国家的高度重视。在“双碳”大背景下，太阳能光热有望成为解决风电、光伏大规模稳定上网的关键技术。然而，目前太阳能光热发展仍处在粗放的示范阶段，效率低下，成本高、难真正市场化。近十几年时间里，光热发电经历了从先期得到国家政策扶持建设，到失去补贴电价支持的发展困难阶段。2023年起，国家提出建立风电光伏光热储能的能源大基地的政策，明确了光热发电附带储能特性的重要地位，提出在“十四五”期间，每年开工建设的光热发电项目不少于300万千瓦。可是光热发电目前仍然存在研发投入不足，成本居高不下的问题，使得目前太阳能光热发电和应用技术面临硬着头皮也得上的矛盾局面。

研究方向1 –太阳能光热利用效率提升研究

目前太阳能光热电站运行的逻辑是在熔盐合适的工作温度下，尽可能增大聚光比，增大镜场规模从而获得更大的光热资源。这一逻辑基本是基于传统火电站度电成本在更大的规模下会降低的趋势。然而光热电站因为前端镜场与燃煤燃气锅炉对于能量的收集与产生完全不同，因此简单地扩大光热电站的规模，对于降低光热发电的成本并无帮助。目前限制光热发电市场化的瓶颈在于度电成本，很大的原因在于太阳能光热发电从光到电约15-25%的极低的效率。同时，虽然我国已有数座首批光热示范电站投运发电，但很少有关于其运行情况的报道，基本上关注的点集中在电站的年发电小时数。在较低的效率下，即便是在设计值下满发，也只能是发越多的电亏越多的钱。目前我国太阳能光热发电的建设企业并没有比较强的科研实力，而且我国科研实力较强的单位在光热产业化研究方面投入的资源不多，导致目前光热发电属于粗放式建设发展期。

在不同的运行和光学条件下，存在最佳的热源温度，可以使光热发电总体效率取得最佳值。如果热源温度持续提高，光热发电总体效率下降。但当聚光比上升时，最佳热源温度也随之变化，因此，考虑到材料和整体系统能量输运效率来设计光热电站的运行参数十分重要，如果设计不合理，将出现参数之间的倒挂现象。同时，光学效率，吸收器的吸收率以及热功转换效率均会对光热发电的整体效率产生重大的影响。同样，全局性对光热系统的优化对于提高光热电站的效率具有重大的意义。

另一方面从基础科研的角度，现有的光热研究成果很难对目前提高光热发电效率的目标产生重大影响，因为与其他可再生能源发电技术比较，例如风电、光伏等，光热属于技术链条长，学科交叉多，系统较为复杂的技术。举例来讲，对于光伏发电，简单的器件效率的提升和成本降低立刻就能反映到发电量的提升以及度电成本的降低。目前对于光热发电来讲，鲜有科研团队从发电全链条入手布局技术研发。太阳能光热利用技术的研发创新包含从选择性吸收涂层、耐高温材料等的材料创新，延伸到聚光系统、储热系统等的系统级优化，可与多种能源形式进行深度耦合，应用在发电、工业生产以及建筑民生的经济社会多种领域。因此，DNL16T3将从太阳能光热转换基础入手，延伸到具体设备的研发，从全局进行优化从而提升光热发电和利用效率，降低成本。

研究方向2 –太阳能光热催化

太阳能光热催化是一种结合光催化效应和热/热化学效应的先进催化技术，光和热的效应协同驱动化学反应，实现高效的能量转化。光热催化包括光化学过程和光热转化过程：光化学过程由光激发、光生电荷分离与传输、以及表面化学反应组成，通常依赖半导体材料与等离子体材料的复合，以实现对全光谱的高效太阳能利用。光热转化过程结合等离子体和/或光热转化材料，将光能转化为热能。

在光热催化中，催化剂吸收太阳光后，高能短波长部分光能激发电子跃迁生成电子-空穴对，这些电子和空穴迁移至催化剂界面，参与氧化还原反应。低能长波长部分光能则通过金属等离子体局部加热、半导体非辐射弛豫以及分子热振动转化为热能。这些热能能够显著提高催化剂表面温度，加速反应速率。在一些体系中还可以调控催化剂结构，并有效抑制逆反应的发生。

与传统光催化相比，光热催化通过光能和热能的协同作用，在宽光谱范围（包括可见光和近红外区域）内实现更高效的工作。这一特点赋予光热催化更强的实际适应性，尤其在高温条件下表现出优异的催化性能。凭借高效的光热能利用和宽光谱响应特性，光热催化在水分解制氢、CO₂还原、固体废弃物处理和有机污染物降解等领域展现出广阔的应用前景。

本研究组围绕太阳能光-热耦合催化的关键科学问题（光吸收与能量分配、电子-空穴分离与传输、界面催化反应），聚焦于光热催化材料的多尺度结构设计及其功能集成，发展高效宽光谱响应的太阳能光热催化技术，为光热催化应用提供理论与技术支撑。

本组目前在太阳能光热催化方向开展的具体研究内容如下：

（1）新型光热催化材料的开发与反应体系探索。通过调控材料的能带结构、光谱吸收特性及微纳结构，设计合成一系列宽光谱响应且兼具光化学与热化学耦合特性的光热催化材料，用于实现高效太阳能光/热向化学能的转化。

（2）可规模化光热催化技术的开发和反应器设计。设计具有工程化潜力的适配特定光热催化剂的反应器体系，研究光热催化技术在化学燃料制取、化工过程以及污染物处理领域的可扩展性；建立抑制逆反应的策略，优化产物分离过程，为开发高效、稳定、可规模化的太阳能光热催化应用提供新技术路径。