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[转载]吉林大学开发出低成本,环境友好的新型生物太阳能电池

已有 2294 次阅读 2019-1-10 10:38 |系统分类:论文交流|关键词:学者|文章来源:转载

 

能源的不断消耗,使得将自然光合作用转化为人工应用受到了较为广泛的关注和研究。天然含氧光合作用通过两个光系统以及连接光系统的电子传输链可以有效地实现太阳能和化学能的相互转化。叶绿素作为自然界中储量最为丰富的有机半导体材料,可以有效地进行光能捕获以及相关电荷的产生和传递。受此启发,吉林大学王晓峰教授研究组的博士生段胜楠在ACS Energy Letters2018, 3, 1708–1712)首次报道了通过模拟自然光合作用中光诱导电子产生和转移过程的基于叶绿素层结构的生物太阳能电池。这个独特体系的生物太阳能电池可以正常工作,但是不完全的光收集和电池界面处不充分的电荷抽取限制了电池的光电转换效率。

众所周知,在自然光合作用过程中,通过叶绿素-蛋白质复合物(原初电子受体)可以高效地传递光系统反应中心激发产生的电子。同时,含有羧基的叶绿素衍生物可以吸附在介孔半导体上并将通过捕获太阳光激发产生的电子注入到半导体内。

因此,吉林大学王晓峰教授课题组的博士生赵文婕受这一自然现象和含有羧基叶绿素衍生物性能的启发,通过引入叶绿素-半导体层来改善双层生物太阳能电池在光捕获和电荷抽取上的问题。制备并开发出低成本,环境友好的新型全叶绿素三层级联生物太阳能电池,且实现了超过4%的光功率转换效率,该电池具有良好的器件稳定性。相关文章发表在国际顶级能源类期刊ACS Energy Letters上,受到审稿人的好评。<img class="" style="background-color: transparent; color: #444444; font-family: -apple-system, BlinkMacSystemFont, 'Segoe UI', Roboto, Ubuntu, 'Helvetica Neue', Helvetica, Arial, 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', 'Source Han Sans CN', sans-serif; font-size: 16px; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: 400; height: 16px; letter-spacing: normal; max-width: 546.79px; text-align: left; text-decoration: none; text-indent: 0px; vertical-align: top; border: 0px none #444444;" alt="吉林大学开发出低成本,环境友好的新型生物太阳能电池" src="https://nw.nyxr-home.com/wp-content/uploads/2019/01/1.tif?imageView2/1/w/32#" width="16" height="undefined" />吉林大学开发出低成本,环境友好的新型生物太阳能电池

 

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1. 基于叶绿素三层级联生物太阳能电池的器件结构。

如图1所示,为了进一步提高双层生物太阳能电池的转换效率,作者通过引入TiO2-Chl-C制备了三层级联生物太阳能电池,其器件结构为FTO/c-TiO2/TiO2-Chl-C/Chl-A/Chl-D/Ag。其中,TiO2-Chl-C作为光活性层和电荷提取层来模拟光系统中的原初电子受体,Chl-A和Chl-D分别作为电子受体和给体模拟光系统的反应中心模拟器,从而实现自然光合作用中电荷的产生和传递。

<img class="aligncenter size-full wp-image-21679" src="https://nw.nyxr-home.com/wp-content/uploads/2019/01/1-16.png?imageView2/1/w/3468/h/1348#" alt="吉林大学开发出低成本,环境友好的新型生物太阳能电池" width="1734" height="674" />吉林大学开发出低成本,环境友好的新型生物太阳能电池

 

图2. 基于叶叶绿素三层级联生物太阳能电池的 (a) J-V曲线和 (b) IPCE曲线。

如图2所示,通过添加TiO2-Chl-C作为电荷抽取层和活性层,三层级联生物太阳能电池的光功率转换效率是双层器件(ACS Energy Letters, 2018, 3, 1708–1712)的3倍以上。同时,器件的IPCE响应表明所有的叶绿素衍生物均可以被激发产生光电流,而且Soret和Q带的光响应贡献有较为明显的改善。

正如所预期的,通过引入TiO2-Chl-C层所制备的三层级联生物太阳能电池可以进一步提高器件的光电转换效率,且器件体现出了良好的重复性和稳定性。同时,类似于多色素的自然光合作用,三层级联生物太阳能电池中的所有叶绿素均可以被激发并产生光电流。因此,叶绿素-半导体层的引入改善了光捕获效率以及电子注入效率,从而使得三层器件的功率转换效率是双层器件的3倍多。该工作为提高生物太阳能电池光电转换效率提供了一种有效的策略,同时为将自然光合作用应用于生物光伏器件提供了可能性。

Wenjie Zhao, Chunxiang Dall’Agnese, Shengnan Duan, Yoshitaka Sanehira, Yingjin Wei*, Hitoshi Tamiaki, Shin-ichi Sasaki, and Xiao-Feng Wang*, Trilayer Chlorophyll-Based Cascade Biosolar Cells, ACS Energy Lett. 2019, DOI: 10.1021/acsenergylett.8b02279

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