太陽能光熱蒸發技術及其在環境領域的應用進展

劉 潔，于振江，楊 蕾，周雪飛,3,*，夏雪芬，張亞雷,3

(1.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092；2. 同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092；3.上海污染控制與生態安全研究院，上海 200092；4. 上海華勵振環保科技有限公司，上海 200092)

2019年BP公司發布的《BP世界能源展望》[1]表明，全球一次能源消費仍在增長，且世界人口的快速增長將進一步導致能源緊缺，引起了全球對能源安全的高度關注。太陽能因其廣泛的分布以及豐富的儲量，一直受到學者的青睞而加以研究應用，如太陽能發電、太陽能被動墻、太陽能光熱蒸發等。其中，太陽能光熱蒸發技術是利用太陽能吸收體吸收太陽光，并將其直接轉換為熱量，從而實現液體低溫蒸發的技術，最早應用于海鹽曬制，技術相對成熟，憑借清潔、可實踐性強、經濟高效、可用于偏遠及貧困地區等優勢已成為國內外科學家的研究熱點。相關學者也嘗試將太陽能光熱蒸發技術應用到環境領域，如海水淡化、蒸汽滅菌、污水處理、蒸餾等多個領域，均表現出獨特的應用優勢。基于太陽能的光熱轉換技術，可以促進傳統環境水處理與新能源的結合，減少對傳統能源的依賴和降低相關技術在典型場景下的應用成本。隨著光熱材料和蒸發基礎理論的發展，基于光熱轉換的太陽能光熱蒸發技術已在環境領域得到了重要拓展。

目前，關于太陽能光熱蒸發技術的研究眾多，如何提高太陽能蒸發速率和效率是關注的重點。其中，太陽能吸收體材料是影響太陽能光熱蒸發速率和效率的直接因素，被學者們廣泛研究。目前，太陽能吸收體材料可分為金屬等離子體材料(Au[2-5]、Ag[6-7]、Al[8]等)、無機半導體材料(CuS[9]、Co3O4[10]等)、碳基材料[氧化石墨烯(GO)[11-16]、碳納米管(CNT)[17-20]、還原氧化石墨烯(rGO)[21-23]等]、有機高分子材料[聚吡咯(PPy)[24]等]這4大類，但文獻中衡量其性能的指標有所差異，統一標準對太陽能光熱蒸發技術的發展十分重要。

近年來，太陽能光熱蒸發技術的相關綜述，主要聚焦在太陽能吸收體材料的發展趨勢和系統結構的發展演變，而較少關注其在實際應用方面的發展，尤其是在環境相關領域，缺少系統總結與分析，這在一定程度上限制了太陽能光熱蒸發技術在環境領域的推廣與應用。因此，有必要對太陽能光熱蒸發技術近年來的發展狀況進一步梳理和總結，探討其在環境領域中的發展和潛在拓展應用。

基于此，本文深入、系統地總結太陽能光熱蒸發技術的現狀，梳理了現有太陽能吸收體材料、蒸發形式的發展脈絡，全面介紹了太陽能光熱蒸發技術在環境領域的應用與優缺點，提出了該技術在環境領域未來的應用思路。

1 太陽能光熱蒸發技術現狀

1.1 太陽能光熱蒸發技術

太陽能光熱蒸發是利用太陽能吸收體吸收太陽光，并將其轉換為熱量，加熱周圍水層，以實現蒸發的一種技術。太陽能蒸發系統通常由以下幾個部分組成[25]：太陽能吸收層、蒸汽逸散通道、水傳輸通道以及隔熱層。蒸汽逸散通道、水傳輸通道和隔熱層這3部分的作用是提升太陽能蒸發效率，提高蒸發速率，減少熱量損失。

太陽能吸收層是太陽能光熱蒸發技術最為重要的部分，其作用是接收太陽光，并將其轉換為熱能。輻射到地面上的太陽光，覆蓋了300～2 500 nm的寬波長，包括3個部分：紫外線區域(300～400 nm，占總能量的3%)、可見光區域(400～700 nm，占總能量的45%)和紅外區域(700～2 500 nm，占總能量的52%)。其中，紅外光的熱效應最為明顯[26-27]。因此，增強太陽能吸收層在紅外光特別是近紅外光波段的吸收，對提高光熱轉換性能特別重要[28-29]。而光譜選擇吸收表面的理論基礎是黑體輻射理論，該理論表明，理想光譜選擇吸收表面需兼具高效吸收太陽能輻射和本身向外極低輻射能量2個條件。因此，太陽能吸收層不僅需高的太陽能輻射吸收，還需在高溫下保持低發射率[30]。式(1)[30-31]描述了入射角為θ時，太陽能吸收層的總太陽吸收率α(θ)。

(1)

其中：θ——從吸收體的表面法線測量的光的入射角；

A(λ)——與波長有關的太陽光譜輻照度；

R(θ,λ)——波長θ處的總反射率。

目前，衡量太陽能光熱蒸發性能的指標沒有統一的標準，但大多數研究者都以式(2)和式(3)[31-34]作為指標。

(2)

Q=c(T1-T0)

(3)

其中：η——光熱轉換效率；

m——水體在光照下的質量損失率，等于蒸發系統在光照條件下(mlight)和無光照條件下(mdark)的水體質量變化率的差值(mlight-mdark)，kg/(m2·h)；

LV——水體蒸發過程中的蒸發焓，一般為2 260 kJ/kg，1 kJ=2.778×10-4kW·h；

Q——水體的顯熱變化；

c——4.2 kJ/(kg·K)；

T0——水體初始溫度，K；

T1——蒸發溫度，K；

Copt——吸收體表面的光學強度；

Pin——入射光能量，kW/m2。

1.2 太陽能吸收體材料

(1)材料種類

在實際應用中，為了實現高效性、經濟性，太陽能吸收體材料需具備以下特征[26-27, 31, 35-38]：高的太陽光吸收、低的中紅外光吸收(避免散熱)、高效的光熱轉換性能、良好的熱調控(熱傳導、熱輻射、熱對流盡可能低)、低成本、良好的可回收性和可擴展性、長期的穩定性。

近年來，對太陽能吸收體材料的相關研究很多，取得了很大進步。太陽能吸收體材料大致可分為金屬等離子體材料、無機半導體材料、碳基材料和有機高分子材料，如表1所示。

表1 太陽能吸收體材料的分類[27-28, 31, 33, 39]Tab.1 Classification of Solar Absorber Materials[27-28, 31, 33, 39]

由表1可知：金屬等離子體材料光穩定性和化學穩定性更好，但相對于另3種材料成本更高；無機半導體材料形態可調節，光熱穩定性良好；碳基材料具有寬光譜吸收以及廉價的成本，但熱導率高導致熱損失；有機高分子材料結構多樣化，但穩定性較差。目前，為進一步優化太陽能吸收體，彌補各類材料的不足，通過2種或以上的單一材料形成復合材料以實現各類需求。

(2)材料結構

研究者們采取調節濃度、摻雜、修飾表面等各種方法，盡可能地提高太陽能吸收體材料的太陽能吸收率。材料的微觀多孔結構有利于太陽能吸收，但仍不可避免地以反射和輻射方式損失部分能量。而將材料做成宏觀的3D結構，利用多次反射不僅可以增強對太陽能的吸收，還可以利用周圍環境能量以及底部的漫反射以及熱輻射，進一步提高蒸發效率。Shi等[34]比較了3D和2D材料的太陽能吸收率，3D材料的吸收率(99.4%)大于2D的吸收率(95.5%)，因為3D材料不僅可以吸收2D底部的漫反射和熱輻射，還可以利用低于周圍溫度的杯壁吸收環境的能量，使得3D材料的效率接近100%。從碳化的竹子中可以進一步證實，3D的材料可以突破2D材料的吸收限制。在Bian等[40]制作的2D和3D碳化竹子中，2D碳化竹子僅有94.8%的吸收率，而3D材料的太陽能吸收率高達99.6%，效率也高達132%。因此，將材料制作成3D的形貌可以捕獲幾乎全部的太陽光，還能吸收周圍的環境能量提高效率。

(3)長效穩定性

在實際應用中，材料的長期穩定運行至關重要。研究者們不僅是選擇穩定性高的材料，Zhang等[41]還創新性地在以MXene為基的納米海綿上鍍一層2.1 nm的SnO2薄膜，防止MXene的表面氧化，實現了高效長期的光熱轉換；在重復使用的30 d中，1 kW/m2光照強度下，可實現各種廢水(強酸、強堿、重金屬廢水和鹽水)的穩定出水量[蒸發速率為1.41 kg/(m2·h)，效率達84.8%]，還能實現100 h的持續穩定發電(3.6 V)。對于高性能但穩定性較差的材料來說，提高材料的使用壽命很有必要。

(4)技術成本

太陽能吸收體材料的最終目標是實現高效性和經濟性。碳基材料尤其是生物碳基材料，是目前成本最低，且具有良好光熱性能的一類材料，但必須通過調控結構減少潛在的熱損失。考慮經濟成本和蒸發效果，碳基材料會成為太陽能吸收體材料的主流之一。

1.3 太陽能光熱蒸發形式

為減少各種途徑的熱量損失，研究者們改進了太陽能光熱蒸發的形式，從最初的塊體蒸發到隨后的界面蒸發，最后受植物蒸騰系統啟發，創新性地提出了隔離蒸發，如圖1所示。

圖1 太陽能光熱蒸發形式示意圖[25, 31, 42]Fig.1 Schematic Diagram of Solar Photothermal Evaporation Types[25,31,42]

1.3.1 塊體蒸發

塊體蒸發是最早使用的一種蒸發形式，分為底部加熱[圖1(a)]和整體加熱[圖1(b)]，太陽能吸收體材料完全浸沒在水中，吸收太陽能后轉換成的熱量加熱周圍水體，實現蒸發。這種蒸發形式與水體的接觸面積過大，產生的熱量多用于加熱水體，實現蒸發的能量有限，蒸發效率普遍偏低。另外，這種蒸發方式的太陽能吸收體材料是放置在底部或均勻分散于水中，需透明水體或高強度太陽光，使用條件苛刻，回收利用難度高，不便于在開放水域使用。

1.3.2 界面蒸發

為克服塊體蒸發的諸多缺陷，學者們研發出界面蒸發形式。圖1(c)為漂浮在水體表面的直接接觸界面蒸發形式，由太陽能吸收體材料和支撐載體(如無塵紙、濾膜、棉布等)組成。其中的太陽能吸收體材料需對太陽能全光譜有強吸收，而支撐載體需滿足低成本、黏附性好、親水性好等要求；這種蒸發形式減少了材料與水體的接觸面積，實現了界面局部加熱，但是與水體的直接接觸將導致大量的熱損失。圖1(d)為不與水體有直接接觸的間接接觸界面蒸發形式，由光熱材料和支撐載體[如木頭、泡沫、氣凝膠以及陽極氧化鋁(AAO)等)]構成，此時支撐載體具有一定的厚度且質輕，可漂浮在液體上，使液體和蒸發表面不直接接觸；此外，支撐載體還需作為輸水通道將水體輸送到蒸發表面。由上述可知，2種界面蒸發形式的明顯區別是支撐載體，可以認為，直接接觸形式的支撐載體是1D的，間接接觸形式的支撐載體是2D的。1D支撐載體單薄、親水性優，光熱材料可以牢固負載在上面，與水接觸面積較大，對導熱性沒有要求；相對而言，2D支撐載體具有一定的厚度，為多孔材料，便于將水輸送到頂部的熱區域，要求低熱導。最早使用的2D載體是泡沫(聚三聚氰胺泡沫)、天然多孔材料(木頭、甘蔗、竹子等)，這些支撐載體在一定程度上滿足了較高孔隙率、質輕和較小的導熱性；但其性能較為固定化，變化幅度有限。而氣凝膠因其大于85%的高孔隙率、小于0.5 g/cm3的輕比重、大于50 m2/g的表面積以及最小的導熱性得到了研究者的重視[43]，且可定制，在性能上更具有優勢。由此可以看出，1D支撐載體與水接觸面積大，2D支撐載體與水體間接接觸且導熱性低，后者的熱損失相對較小，理論上講，后者的蒸發效率更高。

1.3.3 隔離蒸發

為進一步提高太陽能蒸發效率，研究者們提出了隔離蒸發形式。隔離蒸發形式將太陽能吸收體與大量水體隔離，與界面蒸發形式相比，進一步減少了與水體的接觸面積，降低了熱損失，是3種蒸發形式中與水體接觸面積最少的。隔離蒸發也有2種蒸發形式，一種是受植物蒸騰系統啟發的樹形結構以及具有二維輸水通道的一體式蒸發結構，如圖1(e)所示。其中，受植物蒸騰系統啟發的樹形結構是將太陽能吸收體與裝有液體的容器隔離開，輸水通道支撐著太陽能吸收體，以及將液體輸送到蒸發界面，極大程度地減少了熱量傳導到大量液體中，從而減少熱量損失；而具有二維輸水通道的一體式蒸發結構在形式上與界面蒸發形式中的間接接觸有相似之處，但帶有二維輸水通道的一體式蒸發結構實際上是由太陽能吸收體、輸水通道、隔熱材料這3部分組成，蒸發過程中僅有一層薄薄的水層與蒸發位置接觸，輸水通道下方的隔熱材料避免了將熱量傳導給大量液體，在理論上進一步減少了熱量損失。另一種隔離蒸發形式是含水固體的直接蒸發，如圖1(f)所示，不需輸水通道將水體輸送到蒸發位置，它本身是含水的固體，由于不涉及大量水，會將熱傳導損失降到最低。隔離蒸發形式是最新發展的一種蒸發形式，也是目前最為流行的蒸發形式之一。

本文對近年來太陽能吸收體材料和蒸發形式進行了匯總，如表2所示。

表2 近年來太陽能吸收體材料和蒸發形式匯總Tab.2 Summary of Solar Absorber Materials and Evaporation Forms in Recent Years

由表2可知，研發的光熱材料種類豐富，不僅利用高性能的單一材料，還復合多種材料進一步改善蒸發性能，其中，3D結構材料表現出更強的蒸發性能。關于蒸發形式：相較于界面蒸發和隔離蒸發，塊體蒸發的蒸發速率和蒸發效率較低，在近年來出現的頻率較低；界面蒸發中的2種蒸發形式在一定程度上提高了蒸發性能，在低光照強度下仍有較高的蒸發速率；塊體蒸發中完全隔離加熱的蒸發形式在研究中出現頻率較少，但蒸發速率在1 kW/m2的光照強度下可達到4 kg/(m2·h)[82]，而調整輸水通道加熱的蒸發形式在低光照強度下表現出較強的蒸發性能，但仍不及完全隔離蒸發。由表2可知，部分研究受自然啟發，直接將具有獨特結構的自然生物材料用于蒸發，或仿造自然生物結構用于蒸發。蒸發形式和光熱材料在太陽能光熱蒸發技術中都極為重要，選擇合適的蒸發形式和高性能的光熱蒸發材料是提高太陽能光熱蒸發性能的重要因素，其中，高性能的光熱材料更大程度上決定了蒸發性能。

2 太陽能光熱蒸發技術在環境領域的應用

太陽能光熱蒸發技術主要應用在環境領域的海水淡化、污水處理、蒸汽滅菌等，在環境領域是一項新興的技術。

2.1 海水淡化

圖2 海水淡化 (a)1 kW/m2下部分文獻產水速率的總結；(b)蒸發裝置[83]Fig.2 Seawater Desalination (a) Summary of Water Production Rate in Some Literatures under 1 kW/m2; (b)Evaporation Device[83]

海水淡化是目前太陽能光熱蒸發技術應用最多的領域，是緩解淡水資源緊缺的重要技術之一。海水淡化常用工藝有反滲透、低溫多效蒸餾和多級閃蒸，其投資成本高且能耗大。其中，應用最廣泛的反滲透技術需完善的預處理系統，最大運行成本之一是電力，還需定期維護和清洗；而太陽能光熱蒸發技術無需預處理，以太陽能作為能源，可節省能源開支，后期維護成本低，具有更高的經濟性。目前，各類材料在海水淡化的應用研究很多[圖2(a)]，光照強度為1 kW/m2時的產水速率已高達3 kg/(m2·h)以上，經淡化后的水質也大都滿足世界衛生組織(WHO)和美國環境保護署(EPA)的飲用水標準。Li等[61]通過制作的雙層聚合物泡沫對黃海水樣進行淡化處理，淡化后的水質中Na+、K+、Mg2+、Ca2+濃度大幅度下降，離子截留率超過99.93%，其中，Na+濃度遠低于WHO和EPA的標準。黃璐等[84]總結了太陽能海水淡化技術近年來的進展，提出海水淡化的最大挑戰是鹽分結晶和蒸汽冷凝效率低。鹽分結晶影響蒸發性能，會降低太陽能吸收體的使用壽命，極大地限制了太陽能光熱蒸發技術在海水淡化中的應用，而蒸汽冷凝效率低會導致太陽光輻射到蒸發裝置的強度降低。針對鹽分結晶，除了采取太陽能吸收體材料表面疏水化處理之外，莫納什大學的張西旺教授團隊則巧妙地利用鹽結晶的位置，制作出合適大小的太陽能吸收體，使鹽結晶在太陽能吸收體邊緣并自動脫落，不僅實現了海水淡化，還收獲了鹽，但是不普遍適用于所有鹽[77]。對于蒸汽冷凝效率低的問題，Li等[24]通過調節蒸發系統中的壓力改善了蒸汽冷凝效率，結果表明，低壓系統相較于環境壓力的總體效率得到了明顯的提高，這也是改善蒸汽效率的一種手段，目前相關研究較少。因此，為擴大海水淡化的應用范圍，當務之急是解決鹽結晶以及提高蒸汽冷凝效率。此外，多級海水淡化裝置可利用潛熱提高蒸發速率，推進實際應用進程。Chiavazzo等[83]研發出高效、低成本的多級海水淡化裝置，如圖2(b)所示。在光照強度為1 kW/m2下，蒸餾速率高達3 kg/(m2·h)，該裝置可滿足偏遠地區和缺水地區的淡水需求。

2.2 消毒滅菌

太陽能中的UV可以用于消毒，太陽能加熱水體也可以殺滅水中的細菌，但效率普遍偏低，且溫度響應時間也較長。李金磊[32]利用基于界面加熱的太陽能光熱蒸汽技術產生蒸汽，實現了響應速度快(8.4 min可實現1個完整的滅菌循環)，且能量利用效率高(100 J/mL的蒸汽溫度可達到滅菌溫度121 ℃)的滅菌，這種滅菌方式不僅可以在電力緊缺的地區使用，還可以在野外等緊急情況下使用。Huang等[81]制作的雙相CuxS復合納米棒三維分層結構泡沫也可以殺滅細菌。Zha等[85]也利用太陽能蒸發技術產生的蒸汽實現了99.99%以上的滅菌。因此，太陽能光熱蒸發技術是一項具有可實踐性的滅菌方式，可以應用在偏遠地區或者基礎設施薄弱地區的飲用水消毒。

2.3 污水處理

(1)近零排放

隨著工業的蓬勃發展，產生的污水也逐步增多。污水處理不當會嚴重破壞環境，影響人類生活，最終威脅人類生存。污水處理不當的原因包括較高的成本投入，且隨著環保標準的提高，需投入更多的資金。而太陽能光熱蒸發技術，成本較低，蒸發后的水完全能達到排放標準，甚至可以回用，帶來一定的經濟效益；所產生的濃液可通過進一步蒸發直到結晶再進行焚燒處理，還能參考反滲透濃液的處理方式，如高級氧化工藝，避免二次污染。Huang等[81]制作的雙相CuxS復合納米棒三維分層結構泡沫可以凈化有色溶劑，也能實現油水分離。耦合其他污水處理技術，理論上可實現污水的近零排放，但是，污水體量大且成分復雜，將太陽能光熱蒸發技術大批量投入實際污水處理中，需率先突破材料抗污染和蒸發過程的高效率。

(2)高濃度廢水處理

難處理的高濃度廢水一般含有可回收的物質，例如高濃度金屬廢水中可以回收金屬，但按照一般的污水處理流程，回收困難且成本高。利用太陽能光熱蒸發技術，不僅可實現高濃度廢水的高效蒸發，滿足達標排放的目標，還能從水中分離溶質，以實現廢水處理中的金屬、營養鹽以及鹽分等的回收。Xu等[80]受睡蓮結構啟發，研發的一種仿生分層結構，可以實現10 wt%鹽水以及30 wt%重金屬溶液溶質和水的完全分離，蒸發效率達到了80%，為高濃度廢水處理提供了新的解決方法。

傳統廢水處理工藝(如活性污泥法、膜生物反應器、生物轉盤法等)運行最大的成本之一是電力，限制了其在電力緊缺等地區的應用，后期維護成本較大，微生物對生存環境有要求，不適用于高海拔等環境惡劣地區。太陽能光熱蒸發技術幾乎對電力無要求，以廉價且分布廣泛的太陽能作為能源，適用于大部分地區，兼具經濟性和普適性。

2.4 應用趨勢分析

太陽能蒸發技術在農村地區的污水處理和應急場景下的技術路線如圖3所示，為偏遠地區、緊急情況下的飲用水需求和污水處理提供了新的解決方案，也是尿液資源化和污泥、糞便干化新的處理手段。

圖3 農村區域分散污水處理以及應急場景下的技術路線圖Fig.3 Technical Roadmap of Decentralized Wastewater Treatment in Rural Areas and Emergency Scenarios

(1)無下水處理設施農村區域分散污水的處理

大部分農村區域污水分散在各個地方，不便于管理和處理；而低成本的太陽能光熱蒸發技術可以有效處理分散的污水，實現農村地區污水的達標排放。而且，處理后的污水可以用于廁所沖水，緩解干旱地區的缺水問題，改善用廁環境。近年來，農村改廁火熱進行，偏遠缺水地區正是其中的難點之一。利用廉價的太陽能光熱蒸發技術，不僅可以有效處理產生的污水，還可以利用凈化后的水循環沖水，可以極大程度地緩解廁所沖水困境。

(2)尿液的資源化

僅占生活污水總量1%的尿液含有污水中大部分的COD和絕大部分營養鹽(氮、磷、鉀)，為污水處理廠帶來了極大的負擔，也浪費了其中的營養鹽。利用太陽能光熱蒸發技術處理源分離尿液，可以有效回收營養鹽，以廉價的能源低成本實現尿液的資源化。

(3)在污泥、糞便干化中的應用

污泥、糞便干化工藝主要分為機械壓榨工藝和加熱烘干工藝。2種工藝電力成本高，部分需大量的藥劑投入。太陽能光熱蒸發技術節省能源開支，無需投入藥劑，還可殺滅部分細菌，比現有工藝更經濟。Xiao等[86]制備的3D人造樹太陽能光熱蒸發系統，利用其根部吸收沙地中的少量水分以實現蒸發，這為太陽能光熱蒸發技術在污泥、糞便干化中的應用提供了應用思路。但是，太陽能光熱蒸發技術在污泥、糞便干化中的應用，需重點討論其抗污染以及長期運行的問題。

(4)在應急場景下的應用

突發緊急情況下，如地震等自然災害的發生，太陽能光熱蒸發技術可以提供凈水，解決缺水問題。在野外醫院，太陽能光熱蒸發技術可以提供高溫蒸汽實現消毒滅菌，減少感染情況的發生。太陽能光熱蒸發系統可以制備成便于攜帶的裝置，用于野外生存以及特殊軍事任務。

隨著太陽能光熱蒸發技術的成熟，降低成本、開發適宜的設備和裝置是其邁向產業化的重要一步。而且，需對太陽能光熱蒸發技術的典型應用場景進行詳細研究和描述，提供成熟的技術，使其在實際生活中得以推廣和使用。同時，需耦合其他成熟技術完善太陽能蒸發技術，提高蒸發性能和能源利用效率。

3 總結與展望

近年來，太陽能光熱蒸發技術為解決能源匱乏提供了新的技術思路。太陽能光熱蒸發技術的核心是太陽能吸收體。隨著研究的深入，蒸發形式和系統也引起了眾多研究者的重視，但在環境領域的應用研究還處于初級階段。本文深入、系統地總結太陽能光熱技術的現狀，梳理了現有太陽能吸收體材料、蒸發形式的發展脈絡，全面介紹了太陽能光熱蒸發技術在環境領域的應用與優缺點，提出了該技術在環境領域未來的應用展望與思路。目前，研發的太陽能吸收體材料種類豐富，蒸發形式也在逐步改善以減少熱量損失。但是，太陽能光熱蒸發技術的發展還是初期階段，在環境領域的應用也還只是萌芽階段，仍存在很多問題亟待解決，還有大量的工作亟需完成。

(1)太陽能吸收體材料的高效經濟性。目前，雖然很多材料取得了不錯的蒸發效率，但材料成本高昂、制作復雜，不利于其實現工業化生產應用。因此，需發展廉價高效的材料，簡化制作過程，并進一步提升蒸發性能。碳基材料價格低廉、光熱穩定性好，可以通過蒸發形式的調控降低它的高熱傳導，是實現高效經濟性的備選材料之一。

(2)太陽能光熱蒸發技術中蒸汽冷凝回收效率的研究。大多數學者集中在蒸汽的產生，幾乎沒有研究冷凝回收以及回收過程中的潛熱利用，但在實際應用中，蒸汽冷凝回收效率不僅會對產水量有直接影響，還會間接影響蒸汽的產生效率。因此，提升蒸汽冷凝回收效率很有必要。

(3)太陽能光熱蒸發裝置的研發。實現太陽能光熱蒸發技術的實際應用，研發裝置十分重要。目前，太陽能光熱蒸發裝置都較為簡陋，大多都沒有充分利用能量。構造巧妙的裝置，充分利用其能量，可以加速太陽能光熱蒸發技術早日實現實際應用。

(4)太陽能光熱蒸發技術在環境領域應用過程中存在問題的研究。根據目前太陽能光熱蒸發技術在環境領域的應用，存在如鹽結晶、材料污染等問題，雖然已經有相關的解決措施，但是部分措施犧牲了蒸發效率，需研究出一種既能避免污染又能實現高效蒸發的可靠方法。

(5)在高海拔和太陽豐富區域，與現有水處理技術耦合，如分散污水、廁所、飲用水消毒等。不僅可降低運行成本和突破一些環境限制，還有望在此基礎上實現資源化。

(6)仿生學太陽能蒸發的發展。自然界存在很多獨特的結構，太陽能吸收體可以巧妙利用以實現蒸發性能的突破。