- 頭條基于光合作用原理，葉綠素也能制備太陽能電池2020-11-18 作者：本社報道 | 來源：《電氣技術》雜志社 | 點擊率：導語兩種不同結構的雙層或三層全葉綠素的生物太陽能電池，僅由葉綠素衍生物作為光敏材料的生物太陽能電池，實現了4.2%的高光電轉換效率。
眾所周知，葉綠素是植物進行光合作用不可或缺的因素。光合作用的第一步是光能被葉綠素吸收并將葉綠素離子化，產生的化學能被暫時儲存在三磷酸腺苷(ATP)中，并最終將二氧化碳和水轉化為碳水化合物和氧氣。
地球上的自然光合成生物體經過了10億年以上的進化，才逐漸形成了完善的從光能到化學能的轉化體系，可以實現從光能捕獲到能量傳遞并最終實現電荷分離的全部過程。在能源消耗持續增多的當下，科學家們不禁想象，能否仿照植物的光合作用，用葉綠素制造太陽能電池呢？
葉綠素分子是自然界中儲量最豐富、對環境最友好的功能性有機半導體材料，將葉綠素及其衍生物作為主要素材制備新型太陽能電池，既可以實現廉價可再生自然資源的有效利用，又可以通過模仿天然體系的光能轉化過程實現潛在的高光電轉換效率。
近日，吉林大學物理學院的研究人員與日本立命館大學、長浜生物科學技術大學的研究團隊合作，開發出了兩種不同結構的雙層或三層全葉綠素的生物太陽能電池，僅由葉綠素衍生物作為光敏材料的生物太陽能電池，實現了4.2%的高光電轉換效率，相關研究成果已發表于《ACS Energy Letters》雜志。
從一些前輩積累的經驗中，研究人員發現雖然葉綠素的結構骨架一樣，但結構上（如中心金屬和外圍官能團）的區別，會導致葉綠素在穩定性、吸收光譜和轉移電荷能力等方面的差異。
例如，在光伏和半導體材料之間加入多孔二氧化鈦納米粒子可以提高接觸面積，而在葉綠素大環上直接引入羧基可以作為與二氧化鈦的結合位，從而有效注入電子；用鋅替代鎂做中心金屬，可以提高葉綠素的穩定性，并且能夠自組裝成葉綠素聚集體，有特別強的電荷擴散長度，能夠有效地傳遞光生電荷；葉綠素衍生物外圍含有雙氰基官能團時，可以表現出雙極性特性，既能夠傳輸電子，也可以傳輸空穴。
基于上述認知，為模擬自然界Z型光合作用中可視為電子給體和受體光系統的電荷傳遞方式，該研究團隊開始摸索用葉綠素a改造并組裝成雙層或三層全葉綠素材料的生物太陽能電池（BSC）。
三層結構中的最上層為具有雙極性含有雙氰基的葉綠素a衍生物，模擬光系統II（電子給體）；中間層采用含有羥基、中心金屬為鋅的葉綠素a聚集體，模擬光系統I（電子受體）；最下一層采用含羧基官能團能夠與二氧化鈦納米粒子鍵合的葉綠素a衍生物，這種級聯葉綠素a衍生物的組合可達到最高效的光吸收、電荷抽取和傳遞。
據介紹，光合作用包含光反應和暗反應階段，當前該研究團隊的工作主要集中在光反應階段，后續暗反應可以通過鉑/TiO2-光催化反應還原二氧化碳來制取有機物。將廣泛存在于自然界的葉綠素原料進行簡單的化學處理，就可以獲得人工葉綠素衍生物，其中在水域泛濫成災的藍藻就是很好的葉綠素電池生產原料。
新型太陽能電池的制備過程比較簡單：在葉綠素衍生物經過抽取和提純后，溶于有機溶劑中，利用勻膠機旋涂在導電玻璃表面，通過控制轉速和旋涂時間來控制葉綠素衍生物薄膜的厚度；在葉綠素衍生物薄膜的上下層分別旋涂電子傳輸層和空穴傳輸層或其他有機活性層，最終在其頂層利用金屬蒸發鍍膜機沉積金屬電極。
研究人員認為，由于人工葉綠素太陽能電池的材料消耗少、質量輕、能耗較少、成本低廉且環境友好，整個制作過程對外部環境要求也不是很嚴格，因此有利于模塊化大面積生產，未來有望取代傳統硅太陽能電池而成為光伏發電的主流市場。
例如，基于人工葉綠素太陽能電池的良好透光性，可用于汽車頂棚、窗戶和建筑物頂表面來增加收集太陽能的可用表面積；基于其簡單易操作的制備方式，可以利用柔性基底將其制備成可穿戴的電子設備等。
然而，與其他類型光伏電池相比，目前全葉綠素太陽能電池領域的研究者相對較少。任何事物都有一個從無到有、從小到大的發展過程，通過對光譜范圍、填充因子、光伏電壓和導電材料等因素的進一步優化，全葉綠素太陽能電池技術領域可供挖掘的空間還非常多，其發展前景比較廣闊，但是進入商業應用階段還需很長一段時間。
