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众所周知,叶绿素是植物进行光协作用不可或缺的要素。光协作用的第一步是光能被叶绿素吸收并将叶绿素离子化,发生的化学能被暂时贮存在三磷酸腺苷(ATP)中,并终究将二氧化碳和水转化为碳水化合物和氧气。
地球上的自然光组成生物体经过了10亿年以上的进化,才逐步形成了完善的从光能到化学能的转化体系,能够完成从光能捕获到能量传递并终究完成电荷别离的悉数进程。在动力耗费继续增多的当下,科学家们不由幻想,能否仿照植物的光协作用,用叶绿素制作太阳能电池呢?
叶绿素分子是自然界中储量最丰厚、对环境最友爱的功用性有机半导体资料,将叶绿素及其衍生物作为首要资料制备新式太阳能电池,既能够完成廉价可再生自然资源的有用运用,又能够经过仿照天然体系的光能转化进程完成潜在的高光电转化功率。
近来,吉林大学物理学院的研讨人员与日本立命馆大学、长浜生物科学技能大学的研讨团队协作,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资料的生物太阳能电池,完成了4.2%的高光电转化功率,相关研讨成果已发表于《ACS Energy Letters》杂志。
从一些长辈堆集的经历中,研讨人员发现尽管叶绿素的结构骨架相同,但结构上(如中心金属和外围官能团)的差异,会导致叶绿素在稳定性、吸收光谱和搬运电荷才能等方面的差异。
例如,在光伏和半导体资料之间参加多孔二氧化钛纳米粒子能够进步触摸面积,而在叶绿素大环上直接引进羧基能够作为与二氧化钛的结合位,然后有用注入电子;用锌代替镁做中心金属,能够进步叶绿素的稳定性,而且能够自拼装成叶绿素聚集体,有特别强的电荷分散长度,能够有用地传递光生电荷;叶绿素衍生物外围含有双氰基官能团时,能够体现出双极性特性,既能够传输电子,也能够传输空穴。
依据上述认知,为模仿自然界Z型光协作用中可视为电子给体和受体光体系的电荷传递方法,该研讨团队开端探索用叶绿素a改造并拼装成双层或三层全叶绿素资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,模仿光体系II(电子给体);中间层选用含有羟基、中心金属为锌的叶绿素a聚集体,模仿光体系I(电子受体);最下一层选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衍生物的组合可到达最高效的光吸收、电荷抽取和传递。
据介绍,光协作用包括光反响和暗反响阶段,当时该研讨团队的作业首要会集在光反响阶段,后续暗反响能够经过铂/TiO2-光催化反响复原二氧化碳来制取有机物。将广泛存在于自然界的叶绿素质料进行简略的化学处理,就能够取得人工叶绿素衍生物,其间在水域泛滥成灾的蓝藻便是很好的叶绿素电池出产质料。
新式太阳能电池的制备进程比较简略:在叶绿素衍生物经过抽取和提纯后,溶于有机溶剂中,运用匀胶机旋涂在导电玻璃外表,经过操控转速和旋涂时刻来操控叶绿素衍生物薄膜的厚度;在叶绿素衍生物薄膜的上基层别离旋涂电子传输层和空穴传输层或其他有机活性层,终究在其顶层运用金属蒸腾镀膜机堆积金属电极。
研讨人员以为,因为人工叶绿素太阳能电池的资料耗费少、质量轻、能耗较少、本钱低价且环境友爱,整个制作进程对外部环境要求也不是很严厉,因而有利于模块化大面积出产,未来有望替代传统硅太阳能电池而成为光伏发电的干流商场。
例如,依据人工叶绿素太阳能电池的杰出透光性,可用于轿车顶棚、窗户和建筑物顶外表来添加搜集太阳能的可用外表积;依据其简略易操作的制备方法,能够运用柔性基底将其制备成可穿戴的电子设备等。
可是,与其他类型光伏电池比较,现在全叶绿素太阳能电池范畴的研讨者相对较少。任何事物都有一个从无到有、从小到大的开展进程,经过对光谱规模、填充因子、光伏电压和导电资料等要素的进一步优化,全叶绿素太阳能电池技能范畴可供发掘的空间还十分多,其开展前景比较宽广,可是进入商业运用阶段还需很长一段时刻。
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