地球上的自然光合成生物體通過10億年以上的進(jìn)化，逐漸形成了完善的從光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化體系，可以實(shí)現(xiàn)從光能捕獲到能量傳遞、最終到電荷分離的全過程。

由此，人們不禁展開想象，能否仿照大自然的造物，用葉綠素造一塊太陽能電池？

日前，吉林大學(xué)物理學(xué)院教授王曉峰課題組與日本立命館大學(xué)、長浜生物科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)出了兩種不同結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)了4.2%的高光電轉(zhuǎn)換效率。相關(guān)論文已發(fā)表于ACS Energy Letters。

葉綠素太陽能電池示意圖 李娜制圖

從葉綠素到太陽能電池

葉綠素分子是自然界中儲量最為豐富、對環(huán)境最為友好的功能性有機(jī)半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)廉價(jià)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(zhuǎn)化過程，實(shí)現(xiàn)潛在的高光電轉(zhuǎn)換效率。

“最初科學(xué)家只是簡單地將生物體中的色素—蛋白復(fù)合物提取出來，將其分散在導(dǎo)電基板上來制成生物電池。”王曉峰告訴《中國科學(xué)報(bào)》。這樣做雖然也能時常獲得微弱的電流，但光電轉(zhuǎn)換效率很低。并且，具有生物活性的蛋白質(zhì)在體外極其不穩(wěn)定，電池的工作時間非常短暫，因此不具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

此前，科學(xué)家先是半合成了一系列葉綠素及其衍生物作為染料分子應(yīng)用于染料敏化太陽能電池，獲得較高的光電轉(zhuǎn)化效率。之后，葉綠素衍生物被應(yīng)用于平面異質(zhì)結(jié)和體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的有機(jī)小分子太陽能電池。隨之又將葉綠素聚集體作為無添加劑的空穴傳輸材料應(yīng)用于鈣鈦礦太陽能電池，逐步優(yōu)化獲得了較高的電池效率。

從這些先驅(qū)工作積累的經(jīng)驗(yàn)中，王曉峰等人發(fā)現(xiàn)，雖然葉綠素的結(jié)構(gòu)骨架一樣，但結(jié)構(gòu)上如中心金屬和外圍官能團(tuán)的區(qū)別，會導(dǎo)致葉綠素在穩(wěn)定性、吸收光譜和轉(zhuǎn)移電荷能力方面的差異。

例如，在葉綠素大環(huán)上直接引入羧基可以作為與二氧化鈦的結(jié)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(wěn)定性，并能夠自組裝成為葉綠素聚集體，有特別強(qiáng)的電荷擴(kuò)散長度，有效傳遞光生電荷等。

在此認(rèn)識基礎(chǔ)上，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(tǒng)的電荷傳遞方式，王曉峰與合作團(tuán)隊(duì)開始摸索用自然界中最豐富的葉綠素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。

在三層結(jié)構(gòu)中，最上層以具有雙極性含有雙氰基的葉綠素a衍生物來模擬光系統(tǒng)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(tǒng)I（電子受體），最下一層采用含羧基官能團(tuán)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(lián)葉綠素a衍生物的組合可達(dá)到最高效的光吸收、電荷抽取和傳遞。