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幸運的少數:打造高效人工全葉綠素太陽能電池

發布時間:2020-05-31來源:科學網阅读 > 1001

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地球上的自然光合成生物體通過10億年以上的進化,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並最終實現電荷分離的全部過程。

人們不禁想象,能否仿照大自然的造物,用葉綠素造一塊太陽能電池?

吉林大學物理學院教授王曉峰的課題組與日本立命館大學和長浜生物科學技術大學的研究團隊合作,在ACS Energy Letters上發表論文,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爲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。

近日,其課題組又總結了近年來基于葉綠素衍生物太陽能電池的發展進程,發表在Solar RRL上。

從葉綠素到太陽能電池

葉綠素分子是自然界當中儲量最爲豐富,對環境最爲友好的功能性有機半導體材料,將葉綠素及其衍生物作爲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。

這樣一種低成本的,環境友好的太陽能電池具有潛在的應用價值從而解決我國的能源與環境問題,從根本上爲國家可持續發展提供保障。

“最初科學家只是簡單地將生物體中的色素-蛋白複合物提取出來,將其分散在導電基板上來制成生物電池。”王曉峰告訴《中國科學報》。這樣做雖然時常也能獲得微弱的電流,但是光電轉換效率很低,並且具有生物活性的蛋白質在體外及其不穩定,電池的工作時間非常短暫,因此不具有實際應用價值。

先是半合成了一系列葉綠素及其衍生物作爲染料分子應用于染料敏化太陽能電池(DSSC)並成獲得較高的光電轉化效率。在此之後,葉綠素衍生物被應用于平面異質結和體異質結結構的有機小分子太陽能電池(OSC)。緊隨其後,經過對葉綠素聚集體的載流子輸運特性及成膜性質研究後,將葉綠素聚集體作爲無添加劑的空穴傳輸材料應用于鈣钛礦太陽能電池(PSC),逐步優化獲得了較高的電池效率。

從這些先驅工作積累的經驗中,王曉峰等人發現,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的差異。

比如在光伏和半導體材料之間加入多孔二氧化钛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爲與二氧化钛的結合位,從而有效注入電子;而用鋅替代鎂做中心金屬,可以提高葉綠素的穩定性,並能夠自組裝成爲葉綠素聚集體,有特別強的電荷擴散長度,能夠有效傳遞光生電荷;而葉綠素衍生物外圍含有雙官能團時,可以表現出雙極性特性,既能夠傳輸電子,也可以傳輸空穴。

在此認識基礎上,爲模擬自然界Z型光合作用中可視爲電子給體和受體光系統的電荷傳遞方式,王曉峰和日本的合作團隊開始摸索用自然界中最豐富的葉綠素a,改造並組裝成雙層或三層全葉綠素材料的生物太陽能電池(BSC)。

在三層結構中,最上層爲具有雙極性含有雙的葉綠素a衍生物來模擬光系統II(電子給體),中間層采用含有、中心金屬爲鋅的葉綠素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钛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。

光、暗反應,相輔相成

王曉峰說,在他們的太陽能電池中,作爲原料的人工葉綠素衍生物是將廣泛存在于自然界當中的葉綠素原料進行簡單的化學修飾獲得。

電池的制備也相對較簡單。葉綠素衍生物經過抽取和提純後,溶于有機溶劑中,利用勻膠機旋塗在導電玻璃表面,通過控制轉速和旋塗時間來控制葉綠素衍生物薄膜的厚度。同樣的旋塗方法在葉綠素衍生物薄膜的上下層分別旋塗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沈積金屬電極。

“由于整個制作過程對外部環境要求不嚴格,因此適于規模化生産。”王曉峰說,“用導電玻璃基板的人工葉綠素電池成本估計每平米100元,比依賴高分子材料的有機光伏和鈣钛礦電池便宜。”

光合作用包含光反應和暗反應階段,王曉峰等人的工作主要集中在光反應階段,後續暗反應可以是通過鉑/TiO2-光催化反應還原來制取有機物。

在地球的另一端,德国马普学会陆生微生物学院合成微生物中心教授Tobias Erb领导的合成生物学团队和法国波尔多大学Paul Pascal研究中心教授Jean-Christophe Baret领导的微流控技术团队合作,5月8日在美国《科学》期刊上发表论文,使用微流控技术在细胞尺寸大小的液滴中整合和封装光合膜来制备仿生叶绿体,并通过调整液滴内部成分以及使用光作为外部触发器来对仿生叶绿体进行编程和控制。

“這項工作主要創新在人工暗反應過程。”王曉峰說。“但是這個體系並沒有解決光反應過程的人工構築,依然使用了天然的葉綠體。”王曉峰認爲,但是由于天然葉綠體的蛋白質骨架在體外環境下會不穩定,會影響這項成果的實際應用意義。

“如果這一工作能夠結合我們的葉綠素生物電池體系模擬光反應過程,可能更有現實意義。”王曉峰說。

幸運的少數

王曉峰認爲,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,有利于模塊化大面積生産,所以未來有望取代傳統矽太陽能電池而成爲光伏發電的主流市場。

“我覺得最有意思的應用可能莫過于與有機農業結合,用葉綠素電池給有機農業種植提供照明能源。”

同時,由于人工葉綠素太陽能電池透光性好,可用于汽車頂棚、窗戶和建築物頂表面來增加收集太陽能的可用表面積。

由于人工葉綠素太陽能電池的制備方式簡單,還可以利用柔性基底將其制備成可穿戴的電子設備,爲智能生活添磚加瓦。

“經常聽聞藍藻對水域的汙染,卻不知道藍藻甚至也是很好的葉綠素電池生産原料。”王曉峰說,“我們完全可以變廢爲寶。”

而用他們的人工葉綠素太陽能電池水解制氫的話,經他樂觀估算,“按照中試程度,廠房都算進去,未來成本渴望實現每公斤10-20元。這一成本效率比當前的普通光催化體系好3-4倍。”

然而,同千帆競發的其它類型光伏電池相比,全葉綠素太陽能電池是一條人迹罕至的小徑,研究者相對較少,其研發重要性有待于更多人了解和參與。

“我们是少数,我们是幸運的少數。”王晓峰说。

王曉峰說:“當初有機聚合物太陽能薄膜剛出來的時候效率只有1%。在經過長期的優化後,現已能做到15-16%。”

從王曉峰赴日攻讀博士學位算起,他提倡的人工葉綠素太陽能電池的發展也積累了將近20年。

而從18年王曉峰等人第一次發表在ACS Energy Letters關于雙層結構人工葉綠素電池的論文中區區1.3%的有效光能轉換率,到此次三層結構電池4.2%的效率,三倍于前,只過去了一年多。

要能夠與其他的光伏體系競爭,王曉峰還需要把這個數字提高到10%以上。

“未來三年爭取再翻一倍。”王曉峰擲地有聲。

通過對光譜範圍、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體系的確還有潛力可挖。

人工葉綠素太陽能電池發展前景廣闊,但是進入應用階段尚需很長一段時間,王曉峰相信在越來越多的研究者注意並開始研究人工葉綠素太陽能電池後,集中人力物力可以使其商用化在未來5-10年將進入關鍵期。

“總的來說,我們在這方面的研究水平即使在國際上是處于領先位置,但是能夠繼續領先多久,取決于後續國家和市場對我們研究的支持力度。”王曉峰說。

相關論文信息:https://doi.org/10.1021/acsenergylett.8b00797

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.8b02279

https://doi.org/10.1002/solr.202000162

https://doi.org/10.1126/science.aaz6802

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