幸运的少数：打造高效人工全叶绿素太阳能电池

 
 
幸运的少数：打造高效人工全叶绿素太阳能电池  
 

地球上的自然光合成生物体通过10亿年以上的进化，逐渐形成了完善的从光能到化学能的转化体系，可以实现从光能捕捉到能量通报并最终实现电荷疏散的全部进程。

人们不禁想象，可否模拟大自然的造物，用叶绿素造一块太阳能电池？

吉林大学物理学院传授王晓峰的课题组与日本立命馆大学和长浜生物科学技能大学的研究团队相助，在ACS Energy Letters上颁发论文，开拓出了两种差异布局的双层或三层全叶绿素的生物太阳能电池，仅由叶绿素衍生物作为光敏质料的生物太阳能电池，实现了4.2%的高光电转换效率。

克日，其课题组又总结了连年来基于叶绿素衍生物太阳能电池的成长历程，颁发在Solar RRL上。

从叶绿素到太阳能电池

叶绿素分子是自然界傍边储量最为富厚，对情况最为友好的成果性有机半导体质料，将叶绿素及其衍生物作为主要素材制备新型太阳能电池，既可以实现便宜可再生自然资源的有效操作，又可以通过仿照天然体系的光能转化进程,实现潜在的高光电转换效率。

这样一种低本钱的，情况友好的太阳能电池具有潜在的应用代价从而办理我国的能源与情况问题，从基础上为国度可一连成长提供保障。

“最初科学家只是简朴地将生物体中的色素-卵白复合物提取出来，将其分手在导电基板上来制成生物电池。”王晓峰汇报《中国科学报》。这样做固然时常也能得到微弱的电流，可是光电转换效率很低，而且具有生物活性的卵白质在体外及其不不变，电池的事情时间很是短暂，因此不具有实际应用代价。

先是半合成了一系列叶绿素及其衍生物作为染料分子应用于染料敏化太阳能电池（DSSC）并成得到较高的光电转化效率。在此之后，叶绿素衍生物被应用于平面异质结和体异质结布局的有机小分子太阳能电池（OSC）。紧随其后，颠末对叶绿素聚积体的载流子输运特性及成膜性质研究后，将叶绿素聚积体作为无添加剂的空穴传输质料应用于钙钛矿太阳能电池（PSC），慢慢优化得到了较高的电池效率。

从这些先驱事情积聚的履历中，王晓峰等人发明，固然叶绿素的布局骨架一样，但布局上如中心金属和外围官能团的区别，会导致叶绿素在不变性、接收光谱和转移电荷本领的差别。

好比在光伏和半导体质料之间插手多孔二氧化钛纳米粒子可以提高打仗面积，而在叶绿素大环上直接引入羧基可以作为与二氧化钛的团结位，从而有效注入电子；而用锌替代镁做中心金属，可以提高叶绿素的不变性，并可以或许自组装成为叶绿素聚积体，有出格强的电荷扩散长度，可以或许有效通报光生电荷；而叶绿素衍生物外围含有双氰基官能团时，可以表示出双极性特性，既可以或许传输电子，也可以传输空穴。

在此认识基本上，为模仿自然界Z型光合浸染中可视为电子给体和受体光系统的电荷通报方法，王晓峰和日本的相助团队开始探索用自然界中最富厚的叶绿素a，改革并组装成双层或三层全叶绿素质料的生物太阳能电池（BSC）。

在三层布局中，最上层为具有双极性含有双氰基的叶绿素a衍生物来模仿光系统II（电子给体），中间层回收含有羟基、中心金属为锌的叶绿素a聚积体，模仿光系统I（电子受体），最下一层回收含羧基官能团可以或许与二氧化钛纳米粒子键合的叶绿素a衍生物。

这种级联叶绿素a衍生物的组合可到达最高效的光接收、电荷抽取和通报。

光、暗回响，相辅相成

王晓峰说，在他们的太阳能电池中，作为原料的人工叶绿素衍生物是将遍及存在于自然界傍边的叶绿素原料举办简朴的化学修饰得到。