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物理学院王晓峰教授课题组构筑全新太阳能电池体系取得突破

时间:2020-06-05    点击:

  地球上的自然光合成生物体通过10亿年以上的进化,逐渐形成了完善的从光能到化学能的转化体系,可以实现从光能捕获到能量传递并最终实现电荷分离的全部过程。叶绿素分子是自然界当中储量最为丰富,对环境最为友好的功能性有机半导体材料,将叶绿素及其衍生物作为主要素材制备新型太阳能电池,既可以实现廉价可再生自然资源的有效利用,又可以通过模仿天然体系的光能转化过程,实现潜在的高光电转换效率。这样一种低成本、环境友好的太阳能电池具有潜在的应用价值从而解决我国的能源与环境问题,从根本上为国家可持续发展提供保障。

  我院王晓峰教授课题组以叶绿素衍生物作为主要光敏半导体材料,将其应用于染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等薄膜太阳能电池器件。在此基础上,受自然界中光合作用的启发,课题组模拟自然界Z型光合作用的电子传递方式,设计出两种仅由叶绿素衍生物为光敏材料构成的双层和三层全叶绿素生物仿生太阳能电池,为薄膜太阳能电池的进一步发展带来了全新的研究视角。

  2018级博士研究生段胜楠在国际上首次采用叶绿素衍生物模拟自然界Z型光合作用中光系统的电子传输途径,制备出双层叶绿素生物太阳能电池。其光敏上层为具有双极性含有双氰基的叶绿素a衍生物,模拟光系统II(电子给体),下层采用含有羟基、中心金属为锌的叶绿素a聚集体,模拟光系统I(电子受体)。在标准太阳光模拟器的光照下,其光电转化效率可达1.3%,为新型生物薄膜太阳能电池的设计开辟出新思路。相关研究成果发表在ACS Energy Letters上。(DOI: 10.1021/acsenergylett.8b00797)


图1:模拟Z型光合作用的双层生物太阳能电池。

 

  在此基础上,2016级博士研究生赵文婕优化太阳能电池结构,采用含羧基官能团能够吸附在二氧化钛介孔内的叶绿素衍生物作为初始电子受体,取代之前的氧化锌作为底部电子传输层,其余光敏层与双层结构相同,上层为具有双极性含有双氰基的叶绿素a衍生物,模拟光系统II(电子给体),中层采用含有羟基、中心金属为锌的叶绿素a聚集体,模拟光系统I(电子受体)。由于这种级联叶绿素a衍生物的组合可达到最高效的光吸收、电荷抽取和传递,所以在标准太阳光模拟器的光照下,三层生物太阳能电池实现了高达4.2%的光电转换效率。相关研究成果同样发表在ACS Energy Letters上。(DOI: 10.1021/acsenergylett.8b02279)

图2:模拟Z型光合作用的三层生物太阳能电池。

 

  除此之外,王晓峰教授课题组还尝试将叶绿素衍生物应用于染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、光催化制氢、以及超级电容器储能等诸多领域,且均取得了一系列重要的研究进展。相关研究成果发表于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。同时,王晓峰教授还致力于二维层状材料MXenes在光伏和光催化领域的研究,相关研究成果发表于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)等领域内权威杂志。

 

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