地球上的自然光合成生物體通過10億年以上的進化，逐漸形成了完善的從光能到化學能的轉化體系，可以實現從光能捕獲到能量傳遞、最終到電荷分離的全過程。

由此，人們不禁展開想象，能否仿照大自然的造物，用葉綠素造一塊太陽能電池？

日前，吉林大學物理學院教授王曉峰課題組與日本立命館大學、長浜生物科學技術大學的研究團隊合作，開發出了兩種不同結構的雙層或三層全葉綠素的生物太陽能電池，僅由葉綠素衍生物作為光敏材料的生物太陽能電池，實現了4.2%的高光電轉換效率。相關論文已發表于ACS Energy Letters。

葉綠素太陽能電池示意圖 李娜制圖

從葉綠素到太陽能電池

葉綠素分子是自然界中儲量最為豐富、對環境最為友好的功能性有機半導體材料，將葉綠素及其衍生物作為主要素材制備新型太陽能電池，既可以實現廉價可再生自然資源的有效利用，又可以通過模仿天然體系的光能轉化過程，實現潛在的高光電轉換效率。

“最初科學家只是簡單地將生物體中的色素—蛋白復合物提取出來，將其分散在導電基板上來制成生物電池。”王曉峰告訴《中國科學報》。這樣做雖然也能時常獲得微弱的電流，但光電轉換效率很低。并且，具有生物活性的蛋白質在體外極其不穩定，電池的工作時間非常短暫，因此不具有實際應用價值。

此前，科學家先是半合成了一系列葉綠素及其衍生物作為染料分子應用于染料敏化太陽能電池，獲得較高的光電轉化效率。之后，葉綠素衍生物被應用于平面異質結和體異質結結構的有機小分子太陽能電池。隨之又將葉綠素聚集體作為無添加劑的空穴傳輸材料應用于鈣鈦礦太陽能電池，逐步優化獲得了較高的電池效率。

從這些先驅工作積累的經驗中，王曉峰等人發現，雖然葉綠素的結構骨架一樣，但結構上如中心金屬和外圍官能團的區別，會導致葉綠素在穩定性、吸收光譜和轉移電荷能力方面的差異。

例如，在葉綠素大環上直接引入羧基可以作為與二氧化鈦的結合位，從而有效注入電子；用鋅替代鎂做中心金屬，可以提高葉綠素的穩定性，并能夠自組裝成為葉綠素聚集體，有特別強的電荷擴散長度，有效傳遞光生電荷等。

在此認識基礎上，為模擬自然界Z型光合作用中可視為電子給體和受體光系統的電荷傳遞方式，王曉峰與合作團隊開始摸索用自然界中最豐富的葉綠素a，改造并組裝成雙層或三層全葉綠素材料的生物太陽能電池。

在三層結構中，最上層以具有雙極性含有雙氰基的葉綠素a衍生物來模擬光系統II（電子給體），中間層采用含有羥基、中心金屬為鋅的葉綠素a聚集體，模擬光系統I（電子受體），最下一層采用含羧基官能團能夠與二氧化鈦納米粒子鍵合的葉綠素a衍生物。

這種級聯葉綠素a衍生物的組合可達到最高效的光吸收、電荷抽取和傳遞。