国产精品不卡在线,精品国产_亚洲人成在线高清,色亚洲一区,91激情网

  • 頭條基于光合作用原理,葉綠素也能制備太陽(yáng)能電池
    2020-11-18 作者:本社報(bào)道  |  來(lái)源:《電氣技術(shù)》雜志社  |  點(diǎn)擊率:
    分享到:
    導(dǎo)語(yǔ)兩種不同結(jié)構(gòu)的雙層或三層全葉綠素的生物太陽(yáng)能電池,僅由葉綠素衍生物作為光敏材料的生物太陽(yáng)能電池,實(shí)現(xiàn)了4.2%的高光電轉(zhuǎn)換效率。

    眾所周知,葉綠素是植物進(jìn)行光合作用不可或缺的因素。光合作用的第一步是光能被葉綠素吸收并將葉綠素離子化,產(chǎn)生的化學(xué)能被暫時(shí)儲(chǔ)存在三磷酸腺苷(ATP)中,并最終將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為碳水化合物和氧氣。

    地球上的自然光合成生物體經(jīng)過(guò)了10億年以上的進(jìn)化,才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并最終實(shí)現(xiàn)電荷分離的全部過(guò)程。在能源消耗持續(xù)增多的當(dāng)下,科學(xué)家們不禁想象,能否仿照植物的光合作用,用葉綠素制造太陽(yáng)能電池呢?

    葉綠素分子是自然界中儲(chǔ)量最豐富、對(duì)環(huán)境最友好的功能性有機(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(yáng)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(guò)模仿天然體系的光能轉(zhuǎn)化過(guò)程實(shí)現(xiàn)潛在的高光電轉(zhuǎn)換效率。

    基于光合作用原理,葉綠素也能制備太陽(yáng)能電池

     

    近日,吉林大學(xué)物理學(xué)院的研究人員與日本立命館大學(xué)、長(zhǎng)浜生物科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)合作,開(kāi)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(yáng)能電池,僅由葉綠素衍生物作為光敏材料的生物太陽(yáng)能電池,實(shí)現(xiàn)了4.2%的高光電轉(zhuǎn)換效率,相關(guān)研究成果已發(fā)表于《ACS Energy Letters》雜志。

    從一些前輩積累的經(jīng)驗(yàn)中,研究人員發(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(huì)導(dǎo)致葉綠素在穩(wěn)定性、吸收光譜和轉(zhuǎn)移電荷能力等方面的差異。

    例如,在光伏和半導(dǎo)體材料之間加入多孔二氧化鈦納米粒子可以提高接觸面積,而在葉綠素大環(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,并且能夠自組裝成葉綠素聚集體,有特別強(qiáng)的電荷擴(kuò)散長(zhǎng)度,能夠有效地傳遞光生電荷;葉綠素衍生物外圍含有雙氰基官能團(tuán)時(shí),可以表現(xiàn)出雙極性特性,既能夠傳輸電子,也可以傳輸空穴。

    基于上述認(rèn)知,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,該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始摸索用葉綠素a改造并組裝成雙層或三層全葉綠素材料的生物太陽(yáng)能電池(BSC)。

    三層結(jié)構(gòu)中的最上層為具有雙極性含有雙氰基的葉綠素a衍生物,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(jí)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。

    基于光合作用原理,葉綠素也能制備太陽(yáng)能電池

     

    據(jù)介紹,光合作用包含光反應(yīng)和暗反應(yīng)階段,當(dāng)前該研究團(tuán)隊(duì)的工作主要集中在光反應(yīng)階段,后續(xù)暗反應(yīng)可以通過(guò)鉑/TiO2-光催化反應(yīng)還原二氧化碳來(lái)制取有機(jī)物。將廣泛存在于自然界的葉綠素原料進(jìn)行簡(jiǎn)單的化學(xué)處理,就可以獲得人工葉綠素衍生物,其中在水域泛濫成災(zāi)的藍(lán)藻就是很好的葉綠素電池生產(chǎn)原料。

    新型太陽(yáng)能電池的制備過(guò)程比較簡(jiǎn)單:在葉綠素衍生物經(jīng)過(guò)抽取和提純后,溶于有機(jī)溶劑中,利用勻膠機(jī)旋涂在導(dǎo)電玻璃表面,通過(guò)控制轉(zhuǎn)速和旋涂時(shí)間來(lái)控制葉綠素衍生物薄膜的厚度;在葉綠素衍生物薄膜的上下層分別旋涂電子傳輸層和空穴傳輸層或其他有機(jī)活性層,最終在其頂層利用金屬蒸發(fā)鍍膜機(jī)沉積金屬電極。

    研究人員認(rèn)為,由于人工葉綠素太陽(yáng)能電池的材料消耗少、質(zhì)量輕、能耗較少、成本低廉且環(huán)境友好,整個(gè)制作過(guò)程對(duì)外部環(huán)境要求也不是很?chē)?yán)格,因此有利于模塊化大面積生產(chǎn),未來(lái)有望取代傳統(tǒng)硅太陽(yáng)能電池而成為光伏發(fā)電的主流市場(chǎng)。

    基于光合作用原理,葉綠素也能制備太陽(yáng)能電池

     

    例如,基于人工葉綠素太陽(yáng)能電池的良好透光性,可用于汽車(chē)頂棚、窗戶(hù)和建筑物頂表面來(lái)增加收集太陽(yáng)能的可用表面積;基于其簡(jiǎn)單易操作的制備方式,可以利用柔性基底將其制備成可穿戴的電子設(shè)備等。

    然而,與其他類(lèi)型光伏電池相比,目前全葉綠素太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的研究者相對(duì)較少。任何事物都有一個(gè)從無(wú)到有、從小到大的發(fā)展過(guò)程,通過(guò)對(duì)光譜范圍、填充因子、光伏電壓和導(dǎo)電材料等因素的進(jìn)一步優(yōu)化,全葉綠素太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域可供挖掘的空間還非常多,其發(fā)展前景比較廣闊,但是進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段還需很長(zhǎng)一段時(shí)間。