众所周知，叶绿素是植物光合作用不可或缺的因素。光合作用的第一步是光能被叶绿素吸收，叶绿素被电离。产生的化学能暂时储存在三磷酸腺苷(ATP)中，最后二氧化碳和水转化为碳水化合物和氧气。 　　

　　地球上的自然光合成生物经过十几亿年的进化，逐渐形成了从光能到化学能的完善转换体系，可以实现从光能捕获到能量转移，最后电荷分离的全过程。随着能源消耗的不断增加，科学家们不禁设想，是否有可能通过模仿植物的光合作用，用叶绿素制造太阳能电池。 　　

　　叶绿素分子是自然界中最丰富、最环保的功能有机半导体材料。以叶绿素及其衍生物为主要材料制备新型太阳能电池，不仅可以实现廉价可再生自然资源的有效利用，还可以通过模仿自然系统的光能转换过程，实现潜在的高光电转换效率。 　　

　　近日，吉林大学物理学院的研究人员与日本立命馆大学和长邦生物科技大学的研究团队合作，开发出两种具有两层或三层不同结构总叶绿素的生物太阳能电池。仅用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。相关研究成果已发表在杂志《ACS Energy Letters》上。 　　

　　研究者从一些前人积累的经验中发现，虽然叶绿素的结构骨架是相同的，但结构上的差异(如中心金属和外围官能团)会导致叶绿素的稳定性、吸收光谱和电荷转移能力的差异。 　　

　　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，可以增加接触面积，而在叶绿素大环中直接引入羧基，可以作为与二氧化钛的结合位点，从而有效注入电子；用锌代替镁作为中心金属，可以提高叶绿素的稳定性，可以自组装成叶绿素聚集体，具有特别强的电荷扩散长度，可以有效转移光生电荷。当叶绿素的外围含有双氰基官能团时，可以表现出双极特性，既能传输电子又能传输空穴。 　　

　　基于上述认知，为了模拟自然界中Z型光合作用中可视为电子供体和受体光系统的电荷转移模式，研究团队开始探索用叶绿素a修饰并组装成两层或三层总叶绿素材料的生物太阳能电池(BSC)。 　　

　　三层结构中最上层是一个带有双极和双氰基的叶绿素a衍生物，模拟光系统II(电子供体)；叶绿素A聚集体以羟基为中间层，锌为中心金属，用于模拟光系统I(电子受体)。底层采用含有羧基官能团的叶绿素a衍生物，可与二氧化钛纳米粒子结合。级联叶绿素a衍生物的这种组合可以实现最有效的光吸收、电荷提取和转移。 　　

　　据介绍，光合作用包括光反应和暗反应阶段。目前研究团队的工作主要集中在光反应阶段，后续的暗反应可以通过铂/TiO2-光催化反应还原二氧化碳产生有机物。对自然界广泛存在的叶绿素物质进行简单的化学处理，就可以得到人工叶绿素衍生物，其中水域中泛滥的蓝藻是生产叶绿素电池的良好原料。 　　

　　这种新型太阳能电池的制备过程简单：将叶绿素衍生物提取纯化后，溶解在有机溶剂中，用旋涂机将叶绿素衍生物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；将电子传输层、空穴传输层或其他有机活性层分别旋涂在叶绿素衍生物薄膜的上下两层上，最后在顶层沉积金属电极 　　

　　研究人员认为，人造叶绿素太阳能电池材料消耗少，重量轻，能耗低，成本低，环境友好，整个制造过程对外界环境要求不是很严格，有利于模块化大规模生产。有望取代传统的硅太阳能电池，成为未来光伏发电的主流市场。 　　

　　例如，基于人造叶绿素太阳能电池良好的透光性，可将其用于汽车屋顶、窗户和建筑物顶面，以增加收集太阳能的可用表面积；基于其简单易操作的制备方法，可以利用柔性基底将其制成可穿戴电子器件。 　　

　　然而，与其他类型的光伏电池相比，全叶绿素太阳能电池领域的研究人员相对较少。任何事物都有一个从无到有，从小到大的发展过程。通过对光谱范围、填充因子、光伏电压、导电材料的进一步优化，全叶绿素太阳能电池技术领域还有很大的挖掘空间，发展前景相对广阔，但进入商业应用阶段还需要很长时间。