太阳能发电网幸运的少数：用叶绿素造太阳能电池

　　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，可以实现从光能捕获到能量传递、最终到电荷分离的全过程。

　　日前，吉林大学物理学院教授王晓峰课题组与日本立命馆大学、长浜生物科学技术大学的研究团队合作，太阳能网，开发出了两种不同结构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材料的生物太阳能电池，实现了4.2%的高光电转换效率。相关论文已发表于ACS Energy Letters。

　　叶绿素分子是自然界中储量最为丰富、对环境最为友好的功能性有机半导体材料，将叶绿素及其衍生物作为主要素材制备新型太阳能电池，既可以实现廉价可再生自然资源的有效利用，又可以通过模仿天然体系的光能转化过程，实现潜在的高光电转换效率。

　　“最初科学家只是简单地将生物体中的色素—蛋白复合物提取出来，将其分散在导电基板上来制成生物电池。”王晓峰告诉《中国科学报》。这样做虽然也能时常获得微弱的电流，太阳能发电网，但光电转换效率很低。并且，具有生物活性的蛋白质在体外极其不稳定，电池的工作时间非常短暂，因此不具有实际应用价值。

　　此前，科学家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，获得较高的光电转化效率。之后，叶绿素衍生物被应用于平面异质结和体异质结结构的有机小分子太阳能电池。随之又将叶绿素聚集体作为无添加剂的空穴传输材料应用于钙钛矿太阳能电池，逐步优化获得了较高的电池效率。

　　从这些先驱工作积累的经验中，中国太阳能网，王晓峰等人发现，虽然叶绿素的结构骨架一样，但结构上如中心金属和外围官能团的区别，会导致叶绿素在稳定性、吸收光谱和转移电荷能力方面的差异。

　　例如，在叶绿素大环上直接引入羧基可以作为与二氧化钛的结合位，从而有效注入电子；用锌替代镁做中心金属，可以提高叶绿素的稳定性，并能够自组装成为叶绿素聚集体，有特别强的电荷扩散长度，有效传递光生电荷等。

　　在此认识基础上，为模拟自然界Z型光合作用中可视为电子给体和受体光系统的电荷传递方式，王晓峰与合作团队开始摸索用自然界中最丰富的叶绿素a，改造并组装成双层或三层全叶绿素材料的生物太阳能电池。

　　在三层结构中，最上层以具有双极性含有双氰基的叶绿素a衍生物来模拟光系统II（电子给体），太阳能门户，中间层采用含有羟基、中心金属为锌的叶绿素a聚集体，模拟光系统I（电子受体），太阳能门户，最下一层采用含羧基官能团能够与二氧化钛纳米粒子键合的叶绿素a衍生物。