王曉峰說，在他們的太陽能電池中，作為原料的人工葉綠素衍生物是將廣泛存在于自然界中的葉綠素原料進(jìn)行簡(jiǎn)單的化學(xué)修飾獲得。

電池的制備也相對(duì)簡(jiǎn)單。葉綠素衍生物經(jīng)過抽取和提純后，溶于有機(jī)溶劑中，利用勻膠機(jī)旋涂在導(dǎo)電玻璃表面，通過控制轉(zhuǎn)速和旋涂時(shí)間來控制葉綠素衍生物薄膜的厚度。同樣的旋涂方法在葉綠素衍生物薄膜的上下層分別旋涂電子傳輸層和空穴傳輸層或其他有機(jī)活性層，最終在其頂層利用金屬蒸發(fā)鍍膜機(jī)沉積金屬電極。

“由于整個(gè)制作過程對(duì)外部環(huán)境要求不嚴(yán)格，因此適于規(guī)模化生產(chǎn)。”王曉峰坦言，“用導(dǎo)電玻璃基板的人工葉綠素電池成本估計(jì)每平方米100元，比依賴高分子材料的有機(jī)光伏和鈣鈦礦電池便宜。”

光合作用包含光反應(yīng)和暗反應(yīng)階段。王曉峰等人的工作主要集中在光反應(yīng)階段，后續(xù)暗反應(yīng)可以是通過鉑/TiO2—光催化反應(yīng)還原二氧化碳來制取有機(jī)物。

在地球的另一端，來自德國與法國的合作團(tuán)隊(duì)，5月8日在美國《科學(xué)》期刊上發(fā)表論文，使用微流控技術(shù)在細(xì)胞尺寸大小的液滴中整合和封裝光合膜來制備仿生葉綠體，并通過調(diào)整液滴內(nèi)部成分以及使用光作為外部觸發(fā)器來對(duì)仿生葉綠體進(jìn)行編程和控制。

“這項(xiàng)工作主要?jiǎng)?chuàng)新在于人工暗反應(yīng)過程。”王曉峰說，“但是這個(gè)體系并沒有解決光反應(yīng)過程的人工構(gòu)筑，依然使用了天然的葉綠體。”他認(rèn)為，由于天然葉綠體的蛋白質(zhì)骨架在體外環(huán)境下不穩(wěn)定，會(huì)影響這項(xiàng)成果的實(shí)際應(yīng)用意義。

“如果這一工作能夠結(jié)合我們的葉綠素生物電池體系模擬光反應(yīng)過程，可能更有現(xiàn)實(shí)意義。”王曉峰說。

幸運(yùn)的少數(shù)

王曉峰認(rèn)為，由于人工葉綠素太陽能電池的材料消耗少、質(zhì)量輕、能耗較少、成本低廉且環(huán)境友好，有利于模塊化大面積生產(chǎn)，未來有望取代傳統(tǒng)硅太陽能電池成為光伏發(fā)電的主流。

“我覺得最有意思的應(yīng)用莫過于與有機(jī)農(nóng)業(yè)結(jié)合，用葉綠素電池給有機(jī)農(nóng)業(yè)種植提供照明能源。”王曉峰說。由于人工葉綠素太陽能電池透光性好，可用于汽車頂篷、窗戶和建筑屋頂來增加收集太陽能的可用表面積。由于人工葉綠素太陽能電池的制備方式簡(jiǎn)單，也可以利用柔性基底將其制備成可穿戴的電子設(shè)備，為智能生活添磚加瓦。

“經(jīng)常聽聞藍(lán)藻對(duì)水域的污染，殊不知藍(lán)藻也是很好的葉綠素電池生產(chǎn)原料。我們完全可以變廢為寶。”王曉峰說。

而用他們的人工葉綠素太陽能電池水解制氫的話，樂觀估算，“按照中試程度，廠房都算進(jìn)去，未來成本渴望實(shí)現(xiàn)10~20元/公斤。這一成本效率比當(dāng)前的普通光催化體系高3~4倍”。

然而，同其它類型光伏電池相比，全葉綠素太陽能電池是一條人跡罕至的小徑，研究者相對(duì)較少，其研發(fā)重要性有待更多人了解和參與。

“我們是少數(shù)，也是幸運(yùn)的少數(shù)。”王曉峰說，“當(dāng)初有機(jī)聚合物太陽能薄膜剛出來的時(shí)候效率只有1%。在經(jīng)過長(zhǎng)期的優(yōu)化后，現(xiàn)已能達(dá)到15%~16%。”

通過對(duì)光譜范圍、填充因子、光伏電壓和導(dǎo)電材料等的進(jìn)一步優(yōu)化，全葉綠素太陽能電池體系的確還有潛力可挖。王曉峰相信在越來越多的研究者注意并開始研究人工葉綠素太陽能電池后，其商用化在未來5~10年就會(huì)進(jìn)入關(guān)鍵期。