我组在太阳能光热转换研究领域取得重要进展。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，在其带隙中形成离散的中间能带（Intermediate band），实现高效光吸收以及光热转换，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。
太阳能作为最大、最清洁的可再生能源，其高效转化利用是人类实现碳中和的途径。其中光热转换是一种能够直接利用太阳能的方式，其衍生出来的如聚焦太阳能发电、海水淡化和光热催化等应用受到广泛关注。其中，太阳能水蒸发技术是一种便捷、高效地获取淡水资源的方式。传统半导体基材料的光热转换效率受限于其宽带隙所带来的低吸光以及非辐射复合效率。李灿团队从光到热这一本征物理过程出发，通过结构调控引入不同性质的捕获态/缺陷态（Trap/Defect states）充当光生电子-空穴的复合位点，加快非辐射弛豫过程，从而实现全太阳光谱的高效吸收、光热转换以及下游太阳能水蒸发等应用，扩展了太阳能利用领域。
在前期工作中，团队通过对太阳光谱各区间的本征光热转换效率进行测定，发现紫外光为转换瓶颈；并通过非金属掺杂将半导体在紫外光下的转换效率从65%提升到82%（ACS Appl. Energy Mater. 2024）。在本工作中，团队在前期工作上进一步拓展，通过对TiO2进行Cr、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。Cr 3d与N 2p轨道之间的d–p杂化作用在TiO2带隙中形成了中间能带（Intermediate bands, IBs），充当电子-空穴复合位点，使得其能对紫外光实现92.5%的高效利用，并在全太阳光谱（250-2500 nm）区间实现高吸收（93.4 %）以及光热转化（97.9 %）。材料优异的光热性能赋予其在实际应用中的潜力，CrN-TiO2制备得到的三维水蒸发器能在一个太阳的标准光强下能够实现高达4.59 kg m-2 h-1的水蒸发速率以及94.7%的太阳能水蒸发效率。从户外实验中估算可得，1 m2蒸发器一天能蒸发约40 kg水，约等于20个成年人的饮水需求，显示出在实际应用中的潜力。
相关研究进展近期以“Structure regulation of TiO2 with transition metal nitride units towards efficient solar energy harvesting”为题，近日发表在《化学工程杂志》（Chem. Eng. J.）上。该工作的第一作者为503组博士研究生胡芯。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。（文/图 胡芯、王升扬）
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165325
