基于光合作用原理，叶绿素也能制备太阳能电池

众所周知，叶绿素是植物进行光合作用不可或缺的因素。光合作用的第一步是光能被叶绿素吸收并将叶绿素离子化，产生的化学能被暂时储存在三磷酸腺苷(ATP)中，并最终将二氧化碳和水转化为碳水化合物和氧气。

地球上的自然光合成生物体经过了10亿年以上的进化，才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并最终实现电荷分离的全部过程。在能源消耗持续增多的当下，科学家们不禁想象，能否仿照植物的光合作用，用叶绿素制造太阳能电池呢？

叶绿素分子是自然界中储量最丰富、对环境最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。

近日，吉林大学物理学院的研究人员与日本立命馆大学、长浜生物科学技术大学的研究团队合作，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，相关研究成果已发表于《ACS Energy Letters》杂志。

从一些前辈积累的经验中，研究人员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等方面的差异。例如，在光伏和半导体材料之间加入多孔二氧化钛纳米粒子可以提高接触面积，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，并且能够自组装成叶绿素聚集体，有特别强的电荷扩散长度，能够有效地传递光生电荷；叶绿素衍生物外围含有双氰基官能团时，可以表现出双极性特性，既能够传输电子，也可以传输空穴。

基于上述认知，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，该研究团队开始摸索用叶绿素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（BSC）。三层结构中的最上层为具有双极性含有双氰基的叶绿素a衍生物，模拟光系统II（电子给体）；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）；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，这种级联叶绿素a衍生物的组合可达到最高效的光吸收、电荷抽取和传递。

据介绍，光合作用包含光反应和暗反应阶段，当前该研究团队的工作主要集中在光反应阶段，后续暗反应可以通过铂/TiO2-光催化反应还原二氧化碳来制取有机物。将广泛存在于自然界的叶绿素原料进行简单的化学处理，就可以获得人工叶绿素衍生物，其中在水域泛滥成灾的蓝藻就是很好的叶绿素电池生产原料。

新型太阳能电池的制备过程比较简单：在叶绿素衍生物经过抽取和提纯后，溶于有机溶剂中，利用匀胶机旋涂在导电玻璃表面，通过控制转速和旋涂时间来控制叶绿素衍生物薄膜的厚度；在叶绿素衍生物薄膜的上下层分别旋涂电子传输层和空穴传输层或其他有机活性层，最终在其顶层利用金属蒸发镀膜机沉积金属电极。

研究人员认为，由于人工叶绿素太阳能电池的材料消耗少、质量轻、能耗较少、成本低廉且环境友好，整个制作过程对外部环境要求也不是很严格，因此有利于模块化大面积生产，未来有望取代传统硅太阳能电池而成为光伏发电的主流市场。

例如，基于人工叶绿素太阳能电池的良好透光性，可用于汽车顶棚、窗户和建筑物顶表面来增加收集太阳能的可用表面积；基于其简单易操作的制备方式，可以利用柔性基底将其制备成可穿戴的电子设备，等。

然而，与其他类型光伏电池相比，目前全叶绿素太阳能电池领域的研究者相对较少。任何事物都有一个从无到有、从小到大的发展过程，通过对光谱范围、填充因子、光伏电压和导电材料等因素的进一步优化，全叶绿素太阳能电池技术领域可供挖掘的空间还非常多，其发展前景比较广阔，但是进入商业应用阶段还需很长一段时间。