Currently, steam generation using solar energy is based on heating bulk liquid to high temperatures. This approach requires either costly high optical concentrations leading to heat loss by the hot bulk liquid and heated surfaces or vacuum. New solar receiver concepts such as porous volumetric receivers or nanofluids have been proposed to decrease these losses. Here we report development of an approach and corresponding material structure for solar steam generation while maintaining low optical concentration and keeping the bulk liquid at low temperature with no vacuum. We achieve solar thermal efficiency up to 85% at only 10 kW m−2. This high performance results from four structure characteristics: absorbing in the solar spectrum, thermally insulating, hydrophilic and interconnected pores. The structure concentrates thermal energy and fluid flow where needed for phase change and minimizes dissipated energy. This new structure provides a novel approach to harvesting solar energy for a broad range of phase-change applications. Steam generation from solar energy is currently inefficient because of costly high optical concentration and large heat losses involved. Ghasemi et al. develop an efficient approach with internal efficiency up to 85% at low water temperature using a carbon-based material with a double-layer structure.

Harvesting solar energy as heat has many applications, such as power generation, residential water heating, desalination, distillation and wastewater treatment. However, the solar flux is diffuse, and often requires optical concentration, a costly component, to generate the high temperatures needed for some of these applications. Here we demonstrate a floating solar receiver capable of generating 100 ∘C steam under ambient air conditions without optical concentration. The high temperatures are achieved by using thermal concentration and heat localization, which reduce the convective, conductive and radiative heat losses. This demonstration of a low-cost and scalable solar vapour generator holds the promise of significantly expanding the application domain and reducing the cost of solar thermal systems. Solar energy can be used to evaporate water and generate steam, however this usually requires expensive optical concentrators. Ni et al. demonstrate a low-cost solar receiver based on thermal concentration that generates steam at 100 ∘C without the need for optical concentration.

A floating, low-cost solar desalination system was constructed, capable of simultaneous salt rejection and heat localization for continuous operation.

By adding aluminium (Al) into lead selenide (PbSe), we successfully prepared n-type PbSe thermoelectric materials with a figure-of-merit (ZT) of 1.3 at 850 K. Such a high ZT is achieved by a combination of high Seebeck coefficient caused by very possibly the resonant states in the conduction band created by Al dopant and low thermal conductivity from nanosized phonon scattering centers.

Abstract Solar steam generation is emerging as promising solar-energy conversion technology for potential applications in desalination, sterilization and chemical purification. Despite the recent use of photon management and thermal insulation, achieving optimum solar steam efficiency requires simultaneous minimization of radiation, convection and conduction losses without compromising light absorption. Inspired by the natural transpiration process in plants, here we report a 3D artificial transpiration device with all three components of heat loss and angular dependence of light absorption minimized, which enables over 85% solar steam efficiency under one sun without external optical or thermal management. It is also demonstrated that this artificial transpiration device can provide a complementary path for waste-water treatment with a minimal carbon footprint, recycling valuable heavy metals and producing purified water directly from waste water contaminated with heavy metal ions.

Traditional solar–thermal receivers suffer from high surface temperatures, which increase heat losses to the surroundings. To improve performance, volumetric receivers based on nanoparticles suspended in liquid (nanofluids) have been studied as an approach to reduce surface losses by localizing high temperatures to the interior of the receiver. Here, we report measured vapor generation efficiencies of 69% at solar concentrations of 10 sun using graphitized carbon black, carbon black, and graphene suspended in water, representing a significant improvement in both transient and steady-state performance over previously reported results. To elucidate the vapor generation mechanism and validate our experimental results, we develop numerical and analytical heat transfer models that suggest that nanofluid heating and vapor generation occur due to classical global heating of the suspension fluid. This work demonstrates high nanofluid-assisted vapor generation efficiencies with potential applications in power generation, distillation, and sterilization.

Abstract Since solar energy is the ultimate energy resource and a significant amount of global energy utilization goes through heat, there have been persistent efforts for centuries to develop devices and systems for solar–thermal conversion. Most recently, interfacial solar vapor generation, as an emerging concept of solar–thermal conversion, has gained significant attention for its great potentials in various fields such as desalination, sterilization, catalysis, etc. With the advances of rationally designed materials and structures and photon and thermal management at the nanoscale, interfacial solar vapor generation has demonstrated both thermodynamic and kinetical advantages over conventional strategies. In this review, we aim to illustrate the definition, mechanism and figures of merit of interfacial solar vapor generation, and to summarize the development progress of relevant materials and applications, as well as to provide a prospective view of the future.

Steam generation using solar energy provides the basis for many sustainable desalination, sanitization, and process heating technologies. Recently, interest has arisen for low-cost floating structures that absorb solar radiation and transfer energy to water via thermal conduction, driving evaporation. However, contact between water and the structure leads to fouling and pins the vapour temperature near the boiling point. Here we demonstrate solar-driven evaporation using a structure not in contact with water. The structure absorbs solar radiation and re-radiates infrared photons, which are directly absorbed by the water within a sub-100 μm penetration depth. Due to the physical separation from the water, fouling is entirely avoided. Due to the thermal separation, the structure is no longer pinned at the boiling point, and is used to superheat the generated steam. We generate steam with temperatures up to 133 °C, demonstrating superheated steam in a non-pressurized system under one sun illumination.