哈尔滨工业大学（深圳）赵旭东教授团队 | 从发电到固碳：一种会“吸碳”的新型光伏组件

发布时间：2026-09-10来源：中国科学杂志社

原文信息：Lu X M, Guo S, Mao Z Y, et al. Carbon-Swallow Photovoltaic Modules—Perspective overview and preliminary study. Sci China Tech Sci, 2026, 69(9): 1920102,

研究内容

哈尔滨工业大学（深圳）负碳智慧能源技术研究院研究团队提出了一种“会吸碳”的负碳光伏组件，将半透明光伏发电、热-碳调控和微藻固碳耦合在同一系统中。太阳光的一部分用于发电，另一部分透过光伏层支持微藻光合作用；同时，光伏余热有望驱动水分和CO₂的释放，用于光伏降温与微藻固碳增强。室外概念验证结果显示，该系统在保持平均约0.85 kWh日发电量的同时，累计表观CO₂吸收较对照系统提高约18.5%，微藻最终细胞浓度提高约22.6%。该研究为光伏系统从单一发电设备向“清洁电力+主动固碳+生物质生产”的多功能太阳能平台演化提供了新思路。

光伏板通常被认为只是“发电设备”。这项研究提出了一种更进一步的设想：让光伏板在发电的同时，协同完成降温、二氧化碳利用和微藻生物质生产。研究团队将半透明光伏发电层、热-碳调控功能层和微藻固碳层耦合在一起，构建了“会吸碳”的负碳光伏组件雏形，为太阳能电站从单一发电平台走向“清洁发电+主动固碳+生物制造”的多功能平台提供了新的思路。

图1 负碳光伏组件概念示意：发电、降温、CO₂调控与微藻固碳协同运行

光伏发电是全球能源转型的重要支柱，但传统光伏系统仍面临几类突出问题：一是太阳能光谱利用不充分，大量入射能量最终以热的形式散失；二是组件温度升高会降低发电效率；三是光伏制造和全生命周期仍存在一定碳排放；四是在产业规模快速扩张后，光伏产品需要从“单一发电”向更高附加值和更强环境功能升级。

该研究的出发点是：能否让同一块光伏组件既产生绿色电力，又利用其透过光和余热促进二氧化碳固定？如果能够实现，光伏系统就不再只是通过替代化石能源来间接减排，还可能进一步具备主动固碳、微藻生物质生产和资源化利用等复合功能。

论文提出的“Carbon-Swallow Photovoltaic Module（负碳光伏组件）”由三个功能层组成：

• 半透明光伏发电层：吸收部分太阳光并转化为电能，同时允许部分可见光透过，为下方微藻提供光照。

• 热-碳调控层：作为光伏层与微藻层之间的功能界面，设想通过水分和CO₂的昼夜吸附-释放过程，实现光伏被动降温、CO₂局部富集和水汽调控。需要说明的是，该功能材料层在本次室外原型测试中尚未实际加入，属于下一阶段重点验证的功能组件。

• 微藻固碳层：利用透过的光和供应的CO₂进行光合作用，将CO₂转化为微藻生物质，并有望进一步形成饲料、肥料、生物油或其他生物基产品。

与传统半透明光伏或光伏-微藻系统相比，该文的创新点主要体现在三个方面：

第一，将光伏发电、余热利用、CO₂管理和微藻固碳放在同一系统框架中协同设计；

第二，提出热-碳调控层作为能量流、湿度流和碳流的中间调节界面；

第三，通过光谱分配思路，让太阳光的一部分用于发电，另一部分用于微藻光合作用，从而探索“全光谱、多产物”的太阳能利用路径。

为验证概念可行性，研究团队搭建了室外对比实验平台。实验设置了两个并行舱室：Room 1为半透明CdTe光伏板与微藻培养池耦合系统，Room 2为仅含微藻培养池的对照系统。两套系统均监测CO₂浓度、温度、微藻培养液温度、环境温度和太阳辐照度，并通过鼓气泵增强气液传质。

图2 室外概念验证平台：Room 1为光伏-微藻耦合系统，Room 2为微藻对照系统

实验结果表明，半透明光伏与微藻固碳的耦合并没有削弱发电功能，反而形成了电力输出与CO₂吸收增强的并行效果。

• CO₂吸收增强：在5天封闭实验中，耦合系统的累计表观CO₂吸收指数约为960 ppm，对照系统约为810 ppm，相当于提升约18.5%。代表性24小时周期中，耦合系统比对照系统额外降低CO₂约45-60 ppm，对应约15%-20%的提升。

• 稳定发电输出：半透明光伏板在实验期间保持连续发电，日发电量约0.7-1.0 kWh，平均约0.85 kWh，5天总发电量约4.2-4.3 kWh。

• 微藻生物质增长更快：耦合系统中微藻OD680由0.0233增长到0.9093，对照系统增长到0.7417；最终细胞浓度分别约为1.04×10⁷ cells/mL和8.54×10⁶ cells/mL，耦合系统最终细胞浓度提高约22.6%。

图3 5天实验中，两套系统的CO₂吸收表现与Room 1光伏发电量对比

图4 微藻生长结果：耦合系统在光伏调控光环境下表现出更高的生物质积累

这项研究展示了下一代光伏系统的一种可能方向：把光伏电站、屋顶光伏、光伏景观亭或低碳示范场景升级为兼具发电、降温、固碳和生物质资源化功能的综合太阳能平台。未来，如果热-碳调控材料、微藻品种筛选、长期运行稳定性和系统集成成本得到进一步优化，该技术有望服务于分布式能源、近零碳园区、绿色建筑和负碳示范设施。

同时，论文也强调，目前该工作仍处于概念验证阶段。要判断系统是否真正达到净负碳，还需要开展长期室外运行实验、定量碳核算、全生命周期评价、度电成本和碳移除成本分析。后续研究将围绕功能材料层实测、季节适应性、规模化运行和工程经济性继续展开。

Energy and Power Engineering

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