地球上的自然光合成生物體通過(guò)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并最終實(shí)現(xiàn)電荷分離的全部過(guò)程。葉綠素分子是自然界當(dāng)中儲(chǔ)量最為豐富，對(duì)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(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。這樣一種低成本、環(huán)境友好的太陽(yáng)能電池具有潛在的應(yīng)用價(jià)值從而解決我國(guó)的能源與環(huán)境問(wèn)題，從根本上為國(guó)家可持續(xù)發(fā)展提供保障。

吉林大學(xué)王曉峰教授課題組以葉綠素衍生物作為主要光敏半導(dǎo)體材料，將其應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池等薄膜太陽(yáng)能電池器件。在此基礎(chǔ)上，受自然界中光合作用的啟發(fā)，課題組模擬自然界Z型光合作用的電子傳遞方式，設(shè)計(jì)出兩種僅由葉綠素衍生物為光敏材料構(gòu)成的雙層和三層全葉綠素生物仿生太陽(yáng)能電池，為薄膜太陽(yáng)能電池的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了全新的研究視角。

圖1：模擬Z型光合作用的雙層生物太陽(yáng)能電池。

2018級(jí)博士研究生段勝楠在國(guó)際上首次采用葉綠素衍生物模擬自然界Z型光合作用中光系統(tǒng)的電子傳輸途徑，制備出雙層葉綠素生物太陽(yáng)能電池。其光敏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），下層采用含有羥基、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）。在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光模擬器的光照下，其光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)1.3%，為新型生物薄膜太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)開(kāi)辟出新思路。

相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Energy Letters上。（DOI: 10.1021/acsenergylett.8b00797）

圖2：模擬Z型光合作用的三層生物太陽(yáng)能電池。

在此基礎(chǔ)上，2016級(jí)博士研究生趙文婕優(yōu)化太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，采用含羧基官能團(tuán)能夠吸附在二氧化鈦介孔內(nèi)的葉綠素衍生物作為初始電子受體，取代之前的氧化鋅作為底部電子傳輸層，其余光敏層與雙層結(jié)構(gòu)相同，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）。由于這種級(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，所以在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光模擬器的光照下，三層生物太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了高達(dá)4.2%的光電轉(zhuǎn)換效率。

相關(guān)研究成果同樣發(fā)表在ACS Energy Letters上。（DOI: 10.1021/acsenergylett.8b02279）

除此之外，王曉峰教授課題組還嘗試將葉綠素衍生物應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、光催化制氫、以及超級(jí)電容器儲(chǔ)能等諸多領(lǐng)域，且均取得了一系列重要的研究進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表于Materials Chemistry Frontiers（DOI：10.1039/c9qm00377k）、Solar RRL（DOI：10.1002/solr.201900203；10.1002/solr.202000166；10.1002/solr.202000162）、ACS Applied Energy Materials（DOI：10.1021/acsaem.8b00380）、Advanced Materials Interface（DOI：10.1002/admi.201902080）、以及Electrochimica Acta（DOI：10.1016/j.electacta.2020.136283）等高水平期刊。同時(shí)，王曉峰教授還致力于二維層狀材料MXenes在光伏和光催化領(lǐng)域的研究，相關(guān)研究成果發(fā)表于Advanced Functional Materials（DOI：10.1002/adfm.201905694）、Nano-Micro Letters（DOI：10.1007/s40820-019-0309-6）、Journal of Materials Chemistry A（DOI: 10.1039/c8ta12140k；10.1039/C8TA02706D）等領(lǐng)域內(nèi)權(quán)威雜志。