中國科學(xué)院過(guò)程工程研究所

1.項目背景

目前人類(lèi)面臨著(zhù)能源危機和環(huán)境污染等諸多問(wèn)題，我國未來(lái) 15 年中，重要大宗礦產(chǎn)資源消費將在 2025 年前陸續到達峰值，一次能源消費將在 2030 年前后到達拐點(diǎn)，戰略性關(guān)鍵礦產(chǎn)資源消費將迎來(lái)快速增長(cháng)期，2035 年中國作為全球能源和重要礦產(chǎn)資源第一消費大國、生產(chǎn)大國和貿易大國的地位和態(tài)勢將難以改變，需積極應對各種可能的挑戰，采用可再生能源代替傳統化石能源是解決這些問(wèn)題的必要途徑和發(fā)展趨勢。

目前太陽(yáng)能電池中的光電材料普遍使用的是硅材料，晶硅電池的光電能量轉換效率較高，但它的制造成本也高，而且在制作過(guò)程中需要消耗大量化石能源、產(chǎn)生污染環(huán)境的化學(xué)物質(zhì)，于是發(fā)展新一代低成本太陽(yáng)能電池成為了新的目標。經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，太陽(yáng)能電池歷經(jīng)了三代，分別是晶硅、薄膜、新型太陽(yáng)能電池，鈣鈦礦電池是第三代太陽(yáng)能電池的代表。鈣鈦礦是一種分子通式為ABX3的晶體材料，呈六面體或八面體形狀，光電轉換效率高，在光伏、LED等領(lǐng)域應用廣泛。鈦酸鍶（SrTiO?）作為一種典型鈣鈦礦型半導體材料，廣泛應用于精密電子、介電材料、先進(jìn)陶瓷，以及光催化功能材料行業(yè)。

鈦酸鍶是一種化學(xué)穩定性?xún)?yōu)異的金屬氧化物，熔點(diǎn)為2060℃，相對密度5.13，折射率為2.409。鈦酸鍶晶體中O-2p軌道和Ti-3d軌道雜化導致生成顯著(zhù)的共價(jià)鍵，Sr2+和O2-離子擁有離子鍵的性質(zhì)，因此，鈦酸鍶具有離子共價(jià)鍵的性質(zhì)，這就導致了其結構的獨特性，決定了該物質(zhì)具有很好的電子材料的性能。鈦酸鍶拓撲分子極性表面積63.2，單晶鈦酸鍶基底晶格與大多數鈣鈦礦結構材料都有良好的晶格匹配性，它是很多氧化物薄膜和高溫超導體外延生長(cháng)的良好基底。

2.項目摘要

項目在全球首次研發(fā)成功了形貌可控、光電轉換效率超過(guò)45%的納米二十六面體鈦酸鍶晶體和二十六面體中空籠狀鈦酸鍶晶體的基礎上，創(chuàng )新研發(fā)了流程簡(jiǎn)單、能耗低、成本低、易放大且可以發(fā)電與制氫一體化的多面體鈦酸鍶聚光發(fā)電與催化制氫一體化成套技術(shù)與裝備，實(shí)現光電轉換效率45%和析氫速率6mmol/h，達到STH值為1.15%。

3.團隊優(yōu)勢

中科院過(guò)程工程研究所段東平科研團隊在鈦酸鍶光電材料合成與光電轉換機理上做出了領(lǐng)先業(yè)績(jì)，在全球首次研發(fā)成功了形貌可控、光電轉換效率超過(guò)45%的納米二十六面體鈦酸鍶晶體和二十六面體中空籠狀鈦酸鍶晶體，并且在二十六面體鈦酸鍶光電轉換上形成了指標領(lǐng)先、成本領(lǐng)先、與國內制造能力匹配的成套制備技術(shù)方案。二十六面體鈦酸鍶具備的熔點(diǎn)高、晶面多、紫外光利用率高、光電轉換率高等優(yōu)勢特征，在光伏發(fā)電和氫能技術(shù)的發(fā)展上將展示出獨特優(yōu)勢，具有顯著(zhù)的能源、環(huán)保和經(jīng)濟效益，是最優(yōu)質(zhì)的綠色能源光電材料，因此亟需大力開(kāi)發(fā)鈦酸鍶在光伏發(fā)電和氫能技術(shù)上的潛能，將是根本上解決氣候問(wèn)題、霧霾以及酸雨等環(huán)境問(wèn)題的有效手段。

4.項目主要建設內容

建設0.2 MW級多面體鈦酸鍶聚光發(fā)電與催化制氫一體化技術(shù)中試線(xiàn)；

建設首條10 MW級多面體鈦酸鍶聚光發(fā)電與催化制氫一體化技術(shù)示范線(xiàn)；

建設熱電廠(chǎng)升級改造太陽(yáng)能聚光發(fā)電、氫源熱力示范基地，形成自主品牌。

5.項目預期可達到的市場(chǎng)價(jià)值

本項目2026年底實(shí)現批量制造百兆瓦級發(fā)電與制氫一體化成套裝備的能力，實(shí)現年產(chǎn)值5億元；

2030年底實(shí)現全國多面體鈦酸鍶聚光發(fā)電與催化制氫一體化技術(shù)總產(chǎn)值100億元。

6.社會(huì )效益

1）有利于地方經(jīng)濟發(fā)展和創(chuàng )新基地建設

該項目建成后，將是全球首條0.2 MW級多面體鈦酸鍶聚光發(fā)電與催化制氫一體化示范線(xiàn)以及與熱電廠(chǎng)升級改造光伏發(fā)電示范基地，將會(huì )在短期內形成具有競爭實(shí)力的自主品牌，既可迅速在全國各地的太陽(yáng)能發(fā)電、綠氫制備、煤電廠(chǎng)、熱電廠(chǎng)復制，又可推廣至我國西部的太陽(yáng)能豐富地區實(shí)現產(chǎn)業(yè)的升級換代。依靠該項目的關(guān)鍵技術(shù)、核心技術(shù)實(shí)現產(chǎn)業(yè)化和規?；?，可以打造一個(gè)新型新能源技術(shù)的產(chǎn)業(yè)模式，在初創(chuàng )公司注冊地形成輻射全國乃至全球的成套裝備制造企業(yè)基地和服務(wù)各地需求的發(fā)電與制氫技術(shù)解決整體方案運營(yíng)集團，預計在5年后將形成百億級的產(chǎn)值與估值，在同類(lèi)市場(chǎng)中起到引領(lǐng)作用。

2）有利于推動(dòng)“雙碳”目標下熱電產(chǎn)業(yè)平穩升級

在熱電、煤電產(chǎn)業(yè)升級改造發(fā)展方面，要貫徹落實(shí)《中共中央 國務(wù)院關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見(jiàn)》的精神和國務(wù)院《2030年前碳達峰行動(dòng)方案》（國發(fā)〔2021〕23號文）的要求，推進(jìn)經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展全面綠色轉型，加快構建清潔低碳安全高效能源體系，對電力產(chǎn)業(yè)結構進(jìn)行深度調整。為實(shí)現碳中和，傳統的熱電、煤電大規模退出歷史舞臺具有必然性，本項目的實(shí)施可直接利用現有煤電廠(chǎng)、熱電廠(chǎng)的硬件設施、發(fā)電并網(wǎng)、供熱輸送，有利于完成熱電、煤電產(chǎn)業(yè)平穩升級，解決原有勞動(dòng)人員的再就業(yè)難題，為社會(huì )提供更多就業(yè)崗位。

3）有利于統籌平衡經(jīng)濟發(fā)展與能源轉型

在國際國內“雙碳”目標下，相比產(chǎn)業(yè)重組退出和節能減排等防御性和適應性反應，光伏發(fā)電和氫能技術(shù)等綠色技術(shù)創(chuàng )新是進(jìn)取性反應，更能統籌平衡經(jīng)濟發(fā)展與能源轉型兩大目標。綠色技術(shù)創(chuàng )新往往能帶來(lái)減碳目標之外的消費者剩余、能夠降低綠色產(chǎn)品溢價(jià)、縮小應對氣候變化成本，綠色技術(shù)創(chuàng )新可以和數字經(jīng)濟緊密結合，帶動(dòng)傳統行業(yè)的數字化進(jìn)程，并在當地形成新的產(chǎn)業(yè)集群。

4）有利于建設“國際鍶研究高地”和“鍶高端產(chǎn)業(yè)策源地”

段東平科研團隊研發(fā)的鍶元素的增強效應、光電效應、親骨效應和同位素效應正在逐步展現出巨大的科學(xué)價(jià)值和產(chǎn)品價(jià)值，如果把研發(fā)團隊直接引入到本地，具備吸引人才和培養高端人才的能力，將引領(lǐng)全國鍶高端產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新升級、增加本地鍶產(chǎn)業(yè)發(fā)展寬度和深度、提升本地高密度創(chuàng )新實(shí)力，5年后高值化產(chǎn)業(yè)集群將為本地創(chuàng )造100億元以上的經(jīng)濟效益。