登录注册
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
我要投稿
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。
人们不禁想象,能否仿照大自然的造物,用叶绿素造一块太阳能电池?
吉林大学物理学院教授王晓峰的课题组与日本立命馆大学和长浜生物科学技术大学的研究团队合作,在ACS Energy Letters上发表论文,开发出了两种不同结构的双层或三层全叶绿素的生物太阳能电池,仅由叶绿素衍生物作为光敏材料的生物太阳能电池,实现了4.2%的高光电转换效率。
近日,其课题组又总结了近年来基于叶绿素衍生物太阳能电池的发展进程,发表在Solar RRL上。
从叶绿素到太阳能电池
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。
这样一种低成本的,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。
“最初科学家只是简单地将生物体中的色素-蛋白复合物提取出来,将其分散在导电基板上来制成生物电池。”王晓峰告诉《中国科学报》。这样做虽然时常也能获得微弱的电流,但是光电转换效率很低,并且具有生物活性的蛋白质在体外及其不稳定,电池的工作时间非常短暂,因此不具有实际应用价值。
先是半合成了一系列叶绿素及其衍生物作为染料分子应用于染料敏化太阳能电池(DSSC)并成获得较高的光电转化效率。在此之后,叶绿素衍生物被应用于平面异质结和体异质结结构的有机小分子太阳能电池(OSC)。紧随其后,经过对叶绿素聚集体的载流子输运特性及成膜性质研究后,将叶绿素聚集体作为无添加剂的空穴传输材料应用于钙钛矿太阳能电池(PSC),逐步优化获得了较高的电池效率。
从这些先驱工作积累的经验中,王晓峰等人发现,虽然叶绿素的结构骨架一样,但结构上如中心金属和外围官能团的区别,会导致叶绿素在稳定性、吸收光谱和转移电荷能力的差异。
比如在光伏和半导体材料之间加入多孔二氧化钛纳米粒子可以提高接触面积,而在叶绿素大环上直接引入羧基可以作为与二氧化钛的结合位,从而有效注入电子;而用锌替代镁做中心金属,可以提高叶绿素的稳定性,并能够自组装成为叶绿素聚集体,有特别强的电荷扩散长度,能够有效传递光生电荷;而叶绿素衍生物外围含有双氰基官能团时,可以表现出双极性特性,既能够传输电子,也可以传输空穴。
在此认识基础上,为模拟自然界Z型光合作用中可视为电子给体和受体光系统的电荷传递方式,王晓峰和日本的合作团队开始摸索用自然界中最丰富的叶绿素a,改造并组装成双层或三层全叶绿素材料的生物太阳能电池(BSC)。
在三层结构中,最上层为具有双极性含有双氰基的叶绿素a衍生物来模拟光系统II(电子给体),中间层采用含有羟基、中心金属为锌的叶绿素a聚集体,模拟光系统I(电子受体),最下一层采用含羧基官能团能够与二氧化钛纳米粒子键合的叶绿素a衍生物。
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。
光、暗反应,相辅相成
王晓峰说,在他们的太阳能电池中,作为原料的人工叶绿素衍生物是将广泛存在于自然界当中的叶绿素原料进行简单的化学修饰获得。
电池的制备也相对较简单。叶绿素衍生物经过抽取和提纯后,溶于有机溶剂中,利用匀胶机旋涂在导电玻璃表面,通过控制转速和旋涂时间来控制叶绿素衍生物薄膜的厚度。同样的旋涂方法在叶绿素衍生物薄膜的上下层分别旋涂电子传输层和空穴传输层或其他有机活性层,最终在其顶层利用金属蒸发镀膜机沉积金属电极。
“由于整个制作过程对外部环境要求不严格,因此适于规模化生产。”王晓峰说,“用导电玻璃基板的人工叶绿素电池成本估计每平米100元,比依赖高分子材料的有机光伏和钙钛矿电池便宜。”
光合作用包含光反应和暗反应阶段,王晓峰等人的工作主要集中在光反应阶段,后续暗反应可以是通过铂/TiO2-光催化反应还原二氧化碳来制取有机物。
在地球的另一端,德国马普学会陆生微生物学院合成微生物中心教授Tobias Erb领导的合成生物学团队和法国波尔多大学Paul Pascal研究中心教授Jean-Christophe Baret领导的微流控技术团队合作,5月8日在美国《科学》期刊上发表论文,使用微流控技术在细胞尺寸大小的液滴中整合和封装光合膜来制备仿生叶绿体,并通过调整液滴内部成分以及使用光作为外部触发器来对仿生叶绿体进行编程和控制。
“这项工作主要创新在人工暗反应过程。”王晓峰说。“但是这个体系并没有解决光反应过程的人工构筑,依然使用了天然的叶绿体。”王晓峰认为,但是由于天然叶绿体的蛋白质骨架在体外环境下会不稳定,会影响这项成果的实际应用意义。
“如果这一工作能够结合我们的叶绿素生物电池体系模拟光反应过程,可能更有现实意义。”王晓峰说。
幸运的少数
王晓峰认为,由于人工叶绿素太阳能电池的材料消耗少、质量轻、能耗较少、成本低廉且环境友好,有利于模块化大面积生产,所以未来有望取代传统硅太阳能电池而成为光伏发电的主流市场。
“我觉得最有意思的应用可能莫过于与有机农业结合,用叶绿素电池给有机农业种植提供照明能源。”
同时,由于人工叶绿素太阳能电池透光性好,可用于汽车顶棚、窗户和建筑物顶表面来增加收集太阳能的可用表面积。
由于人工叶绿素太阳能电池的制备方式简单,还可以利用柔性基底将其制备成可穿戴的电子设备,为智能生活添砖加瓦。
“经常听闻蓝藻对水域的污染,却不知道蓝藻甚至也是很好的叶绿素电池生产原料。”王晓峰说,“我们完全可以变废为宝。”
而用他们的人工叶绿素太阳能电池水解制氢的话,经他乐观估算,“按照中试程度,厂房都算进去,未来成本渴望实现每公斤10-20元。这一成本效率比当前的普通光催化体系好3-4倍。”
然而,同千帆竞发的其它类型光伏电池相比,全叶绿素太阳能电池是一条人迹罕至的小径,研究者相对较少,其研发重要性有待于更多人了解和参与。
“我们是少数,我们是幸运的少数。”王晓峰说。
王晓峰说:“当初有机聚合物太阳能薄膜刚出来的时候效率只有1%。在经过长期的优化后,现已能做到15-16%。”
从王晓峰赴日攻读博士学位算起,他提倡的人工叶绿素太阳能电池的发展也积累了将近20年。
而从18年王晓峰等人第一次发表在ACS Energy Letters关于双层结构人工叶绿素电池的论文中区区1.3%的有效光能转换率,到此次三层结构电池4.2%的效率,三倍于前,只过去了一年多。
要能够与其他的光伏体系竞争,王晓峰还需要把这个数字提高到10%以上。
“未来三年争取再翻一倍。”王晓峰掷地有声。
通过对光谱范围、填充因子、光伏电压和导电材料等因素的进一步优化,全叶绿素太阳能电池体系的确还有潜力可挖。
人工叶绿素太阳能电池发展前景广阔,但是进入应用阶段尚需很长一段时间,王晓峰相信在越来越多的研究者注意并开始研究人工叶绿素太阳能电池后,集中人力物力可以使其商用化在未来5-10年将进入关键期。
“总的来说,我们在这方面的研究水平即使在国际上是处于领先位置,但是能够继续领先多久,取决于后续国家和市场对我们研究的支持力度。”王晓峰说。
特别声明:北极星转载其他网站内容,出于传递更多信息而非盈利之目的,同时并不代表赞成其观点或证实其描述,内容仅供参考。版权归原作者所有,若有侵权,请联系我们删除。
凡来源注明北极星*网的内容为北极星原创,转载需获授权。
4月18日,北极星太阳能光伏网发布一周要闻回顾(2025年4月14日-4月18日)。政策篇广西、重庆、广东、江苏……6地工商业分布式光伏上网比例敲定日前,广西、重庆就分布式光伏发电开发建设管理实施细则征求意见。据北极星统计,截至目前,已有6个省区市出台相关文件,对分布式光伏上网电量比例作出规定。
4月18日,四川省经信厅关于印发《四川省新能源产业链建圈强链工作方案(2025—2027年)》的通知,通知指出,到2027年,主要承载地和协同发展地融合态势基本形成,新能源产业链关键材料、核心技术和装备自主可控水平大幅提升,市场机制、标准体系和管理体制更加健全,链主链核企业规模实力不断壮大,产
北极星售电网获悉,4月18日,四川省经济和信息化厅发布关于印发《四川省新能源产业链建圈强链工作方案(2025—2027年)》(以下简称《方案》)的通知。《方案》指出,进一步完善电力市场交易机制,促进省内发电企业充分竞争,推动电源企业和新能源制造业用户在更大范围内协商形成交易价格。鼓励“三州
4月15日,钧达股份发布关于申请境外公开发行股票(H股)并上市的进展公告。公告称,公司已于2025年4月15日向香港联交所再次更新递交了本次发行上市的申请,并于同日在香港联交所网站刊登了本次发行的申请资料。值得注意的是,这已是该公司第三次冲击港股上市,前两次申请分别在2024年8月、2025年4月,主
国家统计局数据显示,2025年3月份,全国规上工业太阳能电池(光伏电池)产量7844万千瓦,同比增长23.6%;2025年1-3月份,全国规上工业太阳能电池(光伏电池)产量17267万千瓦,同比增长18.5%。2025年3月份,全国规上工业太阳能发电量418亿千瓦时,同比增长8.9%;2025年1-3月份,全国规上工业太阳能发电
近期,随着关联公司海源复材的控制权变更,曾制霸光伏市场的赛维再次进入话题中心,当然牵引而出的还有赛维神话的缔造者——彭小峰。这一昔日新能源行业最年轻的首富,自国内光伏事业坍塌后,远遁美国再造“光伏梦”,并且近几年大有高歌猛进之势。然而,这一次似乎又要梦碎了。两造“光伏神话”21世纪
近日,隆基电池研发再次取得重大突破。经美国国家可再生能源实验室(NREL)认证,隆基自主研发的晶硅-钙钛矿两端叠层太阳电池转换效率达到34.85%,再次刷新晶硅-钙钛矿叠层电池效率世界纪录。晶硅-钙钛矿叠层太阳电池作为下一代超高效太阳电池的主流技术路线,其理论极限效率高达43%,远超单结太阳电池的
美国东部时间4月11日,美国海关和边境保护局(CBP)发布了一份关税更新指南。据该指南,美国对《美国统一关税表》(HTSUS)中20项税目的产品免除14257号行政命令之下的“对等关税”,这些产品包含自动数据处理器、电脑、通信设备、显示器与模组、半导体相关等类别。12日晚至13日,有媒体在报道这一消息
守正创新担当作为奋力谱写河南能源高质量发展新篇章河南省发展改革委党组成员,河南省能源局党组书记、局长夏兴党的二十届三中全会对规划建设新型能源体系作出了系统部署,2025年全国能源工作会议进一步对能源重点任务提出了明确要求,为推动能源工作实现“十四五”圆满收官、“十五五”良好开局指明了
从钙钛矿光链官微获悉,4月11日,浙江绍兴柯桥区招商引资工作会议召开。会上,举行了重大产业链项目集中签约仪式,共有43个项目签约,其中24个项目现场签约,计划总投资达317亿元,项目主要涉及光电信息、新型复合材料等领域。杭绍临空示范区共有13个项目签约,计划总投资达110亿元。其中,新一代光伏
4月11日,隆基在安徽芜湖基地宣布:经德国哈梅林太阳能研究所(ISFH)权威认证,其自主研发的杂化背接触晶硅太阳电池HIBC(HybridInterdigitated-Back-Contact)光电转换效率达到27.81%,将单结晶硅光伏电池的极限探索推向新高度。2022年11月,隆基创造了26.81%的晶硅电池转换效率世界纪录;2024年5月,隆
4月18日,四川省经信厅关于印发《四川省新能源产业链建圈强链工作方案(2025—2027年)》的通知,通知指出,到2027年,主要承载地和协同发展地融合态势基本形成,新能源产业链关键材料、核心技术和装备自主可控水平大幅提升,市场机制、标准体系和管理体制更加健全,链主链核企业规模实力不断壮大,产
北极星售电网获悉,4月18日,四川省经济和信息化厅发布关于印发《四川省新能源产业链建圈强链工作方案(2025—2027年)》(以下简称《方案》)的通知。《方案》指出,进一步完善电力市场交易机制,促进省内发电企业充分竞争,推动电源企业和新能源制造业用户在更大范围内协商形成交易价格。鼓励“三州
4月16日,由中国光伏行业协会指导、晶澳科技主办的沙戈荒专场论坛暨光伏极限挑战团「极境寻光」之旅第二站盛大启幕。继漠河“极寒攻坚”后,本次活动直接跨越至中国排名第四的沙漠#x2014;#x2014;浩瀚壮丽的腾格里,开展“大漠平沙”。政企领导、权威专家、合作伙伴及行业媒体齐聚于此,共同探讨沙漠光
近日,正泰新能向越南中部高地茶仓山区塔克学校捐赠多块ASTRON系列高效光伏组件,为当地90余名梭党族学生和教师带来稳定清洁的电力供应。作为“SolarTheFuture新光未来”全球公益计划中的一环,该项目旨在探索清洁能源普惠与教育公平的深度融合,推动全球可持续发展目标与地区民生改善的有机衔接;同时
北极星储能网获悉,4月14日,昌黎金智储有限公司130MW/260MWh构网型共享储能电站工程EPC总承包中标候选人公示。中冶京诚工程技术有限公司中浦水利集团有限公司联合体以报价39944.8万元,折合单价1.536元/Wh预中标。中标候选人报价范围1.535~1.537元/Wh,详情如下:中冶京诚工程技术有限公司中浦水利集
绿色工厂拔地而起,新能源汽车等产业加速布局……作为海南自贸港的重要窗口,海口国家高新区大力培育以绿色为底色的新质生产力,降碳、减污、扩绿与经济增长协同推进,展现出绿色发展新气象。绿色园区建设引领发展2023年12月,海口国家高新区成功入选生态环境部首批城市和产业园区减污降碳协同创新试点
日前,越秀资本举办2024年度网上业绩说明会。交流内容及具体问答记录显示,2024年末越秀资本管理户用分布式光伏装机容量14.08GW(控股11.72GW),目前项目运营状况良好,为公司贡献了良好的收益和稳定的现金流,全年实现电费收入30.69亿元,同比增长552%,控股子公司越秀新能源实现净利润6.08亿元,同
随着加快沙戈荒风光大基地建设写入政府工作报告,大基地场景下光伏电站正在如火如荼地建设中。但沙漠、戈壁和荒漠地区的地质地形和气象条件特殊,8级以上伴随沙尘的大风和高温差等严苛的气候非常常见,对光伏电站的建设施工和运维管理都带来了严峻的挑战,沙戈荒大基地建设规模较大,对光伏组件设备选
4月10日,第十三届储能国际峰会暨展览会(ESIE2025)于北京新国展二期盛大启幕,东方日升以场景化能源生态构建者姿态,携工商业光储、大型地面光储及光储充一体化三大解决方案矩阵亮相展会,依托技术创新与场景适配能力,为能源转型注入澎湃动能。在工商业光储板块,iCon125kW/261kWh工商业液冷储能一
宁夏银川,素有“塞上江南”之称,独特的地理环境使其成为光伏技术极限性能的试金石。这里光照资源丰富,但严苛的环境条件——夏季组件表面温度高达65℃以上、年均80多天的沙尘天气以及昼夜极端温差——对光伏组件的性能和可靠性提出了极高要求。在这一背景下,异质结技术凭借其卓越的发电性能、更低的
为深入贯彻习近平总书记在民营企业座谈会上的重要讲话精神,全面落实党中央、国务院决策部署,4月8日,国家发展改革委主任郑栅洁主持召开座谈会,天合光能董事长高纪凡作为民营企业代表受邀参加。郑栅洁听取民营企业对当前宏观政策在微观主体的落实情况及建议,听取应对美加征关税的举措及建议,听取稳
4月18日,北极星太阳能光伏网发布一周要闻回顾(2025年4月14日-4月18日)。政策篇广西、重庆、广东、江苏……6地工商业分布式光伏上网比例敲定日前,广西、重庆就分布式光伏发电开发建设管理实施细则征求意见。据北极星统计,截至目前,已有6个省区市出台相关文件,对分布式光伏上网电量比例作出规定。
2025年4月,香港——中国光大绿色环保有限公司与南京六合市政公用集团有限公司正式签署战略合作框架协议。双方将在南京六合新型城镇化再生资源循环产业转型升级项目上展开深度合作。以循环产业升级项目规划布局为依托,力争在零碳园区建设、绿色能源(光伏与沼气发电)、餐厨垃圾、污泥干化等领域开展
我们习惯把属于用户电力资产的部分称为表后,把归属于电网电力资产的部分称为表前。(来源:微信公众号“黄师傅说电”)在表前,也就是公共电网的范围内,电力市场每个交易周期出清交易结果,连接到这个大电网上的电源和负荷都会出清本周期的电量,同时也伴有该周期的价格。基于集中竞价,统一出清的方
4月17日,百色市发展和改革委员会发布关于百色市2024年国民经济和社会发展计划执行情况与2025年国民经济和社会发展计划草案的报告。报告指出,2025年加快培育壮大四大主导产业。全力推进2023—2024年获得新能源指标的69个新能源开发项目、新能源装备制造项目尽快开工建设,推动乐业逻西风电场等17个项
刚刚过去的周末,席卷全国多地的极端大风天气成为热点话题。在气象部门的频繁预警下,人们不约而同地选择周末居家,躲避大风。气象监测显示,自4月11日以来,我国中东部大部地区出现大风天气,阵风风力8级以上,影响国土面积超过350万平方千米;内蒙古、华北、黄淮部分地区阵风11至13级,局地14至15级
2025年一季度,国家电网有限公司坚持稳中求进工作总基调,完整准确全面贯彻新发展理念,深化改革创新,勇于担当作为,奋力开创国家电网高质量发展新局面。国家电网公司系统各单位全面贯彻落实国家电网公司工作部署,抓紧抓实年度重点工作任务,支撑服务经济社会高质量发展,取得积极成效。电网头条今天
在广袤的沙漠深处,一座孤独的邮局曾长期面临供电难题,随着晶澳智慧能源团队的光储离网解决方案成功落地,这片荒芜之地终于迎来了稳定的电力供应,彻底告别了“无电史”!沙漠邮局地处偏远,环境恶劣,施工条件极为复杂。晶澳智慧能源依托15年项目承建经验,为沙漠邮局量身定制离网系统解决方案,创造
1实现了大电网与微电网的数据贯通,做到了电网资源的可观、可测、可调、可控。2提出了“县域-平衡区-线路-台区”的泛微网架构体系,并在技术和工程实践中得到了验证。3开发了微网“一键”远程控制并网与离网的运行模式,提升了偏远电网的局部调控和独立运行能力。4生成了年、月、日、分钟级时间尺度下
北极星风力发电网获悉,4月17日,辽宁省发改委公布《辽宁省2025年第一批风电、光伏发电项目建设方案》。根据《方案》,辽宁省2025年第一批风电、光伏发电项目建设规模700万千瓦,其中风电200万千瓦,全部用于支持无补贴风电光伏项目建设。700万千瓦规模分解下放到沈阳市(100万千瓦风电),朝阳市(100万
4月17日,山西省能源局发布关于《分布式光伏发电开发建设管理实施细则(征求意见稿)》征求社会公众意见的公示。文件表示,分布式光伏发电上网模式包括全额上网、全部自发自用、自发自用余电上网三种。自然人户用、非自然人户用分布式光伏可选择全额上网、全部自发自用或者自发自用余电上网模式。严禁
截至今年第一季度,广东累计发电装机容量达2.27亿千瓦,同比增长14.1%。广东发电装机电源类型涵盖传统与新兴能源,煤电、气电、水电、核电、风电、光伏、生物质发电、储能电源等多元互补,共同构建了百花齐放的能源格局,使得广东在应对不同能源需求和环境挑战时更具灵活性和稳定性。“风”“生”水起
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
姓名: | |
性别: | |
出生日期: | |
邮箱: | |
所在地区: | |
行业类别: | |
工作经验: | |
学历: | |
公司名称: | |
任职岗位: |
我们将会第一时间为您推送相关内容!