基于光合作用原理的太阳能电池
植物研究所,2012年4月17日
导读：地球上最有效的利用太阳能的例子是光合作用。高等植物光系统II（PSII）中的大量捕光色素蛋白复合体（LHCIIb）负责捕获和传递太阳光能。
地球上最有效的利用太阳能的例子是光合作用。高等植物光系统II（PSII）中的大量捕光色素蛋白复合体（LHCIIb）负责捕获和传递太阳光能。2004年，中科院生物物理所和植物研究所合作，在国际上率先解析了在原子水平的LHCIIb晶体结构（Nature,2004,428:287-292），发现在长期进化过程中，LHCIIb结合大量的光合色素，这些色素簇间的偶极矩交互作用，使得LHCIIb不仅能高效吸收太阳能，而且还能够将所捕获光能的94-98%传递出去。这一特性使得LHCIIb成为一个非常有潜力的新型捕获和转换太阳能的器件材料。国际学术界对于其结构与功能及其仿生模拟，进而开辟太阳能利用的新途径投入了大量研究力量。
自1991年Gratzel利用光合作用原理，使第一个纳米晶体染料敏化太阳能光电池（DSSC）问世（Nature, 1991,353:737-740）以来，国际科技界大力投入研究能够高效吸收太阳能的有机太阳能电池捕光体，以P3HT/PCBM为活化层的有机太阳能电池是目前研究较清楚的结构，但效率仍然很低。由于光合作用能够高效地吸收、传递并固定太阳能，国际学术界进行了大量直接利用光合作用机理或光合膜蛋白材料组装太阳能电池的研究，取得了一系列成果。中科院生命科学与生物技术局以此为契机，组织了由植物所牵头，上海技术物理所、化学所和国家纳米科学中心参与的多学科交叉研究队伍。
中科院光生物重点实验室杨春虹研究组与南昌大学合作，以全新思路展开与国际相同领域研究重点完全不同的探索，并取得了一系列重要进展：①实现了光合作用捕光天线与功能有机分子间的共价键结合，并实现其间的能量传递；②实现了生物材料与无机材料量子点之间的能级偶联，将光合作用捕光天线捕获的能量传输到量子点；③通过蛋白质工程，改造了光合膜蛋白结构特性，提高了捕光天线的稳定性。更重要的是，构建了第一个以光合膜蛋白参与吸光体的光合作用生物太阳能电池。
他们发现，植物捕光天线色素蛋白复合体（LHCIIb）具有很宽的能级，可以与PEDOT和P3HT达到能级匹配（图1b），将LHCIIb组装在P3HT/PCBM和空穴传输层PEDOT:PSS之间（图1a），能够显著影响纯有机电池的电流——电压特性（图1c），有机电池的光电转换效率从3.52%提高到4.74%，光电转换效率提高了35%。并且这种光合膜——有机杂合材料可稳定数周。他们使用植物自由色素作为对照，发现自由色素不能代替LHCIIb起作用（图1d），说明LHCIIb中的色素构象对于不同体系间的能级匹配和能量传递具有决定性作用。
他们推测，LHCIIb的促进作用在于其将吸收的能量传递给了P3HT/PCBM，使其发生电荷分离的效率更高（图2a）。进一步研究杂合体系的能量传递机理时发现，LHCIIb层的厚度会显著影响光电转换效率，当LHCIIb厚度为20nm时，与无LHCIIb层相比光电转换效率显著增高。当LHCIIb厚度为40nm时，光电转换效率进一步增高。而当LHCIIb厚度为60nm时，光电转换效率却显著降低，甚至低于无LHCIIb层的纯有机电池的对照（图2b）。说明过多的LHCIIb会抑制LHCIIb到P3HT/PCBM的能量传递，甚至把吸收的光能大部分都耗散掉。
这一结果是我国第一个基于光合作用原理的太阳能电池，得到了国际学术界认可，相关论文发表在英国皇家化学会旗下期刊Journal of Material Chemistry（10.1039/C2JM16616J）上。审稿人将本工作评价为是“国际上第一个生物——有机杂合体系进行光电转换的尝试”。该文章为构建新型的太阳能电池提供了新概念、新思路和新途径，具有深远的理论意义和实践意义。
