紫細(xì)菌色素蛋白復(fù)合體及其光合色素的DSSC性能研究.pdf

1、染料敏化太陽(yáng)能電池(Dye-Sensitized Solar Cells, DSSC)制作成本低廉、工藝簡(jiǎn)單和光電性能穩(wěn)定,被認(rèn)為是未來(lái)最具發(fā)展前景的太陽(yáng)能電池之一。在DSSC中,染料敏化劑是光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中重要核心元件,釕配合物染料因光電轉(zhuǎn)化效率高已在 DSSC中得到了廣泛應(yīng)用,但不容忽視的是,這類合成染料價(jià)格高、制備復(fù)雜、遇水易降解等問(wèn)題,因此人們?cè)诟倪M(jìn)現(xiàn)有釕染料合成工藝以提高其近紅外光吸收特性的同時(shí),正致力于尋找來(lái)源廣泛、成本低廉、

2、環(huán)境友好、光電性能優(yōu)良的天然染料敏化劑,并期望以此推動(dòng) DSSC研究的另一個(gè)新發(fā)展方向。不產(chǎn)氧光合細(xì)菌(Anoxygenic phototrophic bacteria, APB)是一類能在厭氧條件下能進(jìn)行不產(chǎn)氧光合作用的細(xì)菌類群,其中紫細(xì)菌類群是天然光合作用機(jī)理研究的良好模型生物。不同于藍(lán)細(xì)菌、真核藻類和高等植物等產(chǎn)氧光合生物,APB含有寬光譜(250 nm~1100 nm)響應(yīng)的高效光電轉(zhuǎn)換的色素蛋白復(fù)合體(Pigment-Prot

3、ein Complex,PPC)以及不同結(jié)構(gòu)特性的天然光合色素元件,這些優(yōu)良特性的光合元件對(duì)研制響應(yīng)可見(jiàn)-近紅外光的DSSC光電元件具有重要應(yīng)用價(jià)值,作為 DSSC中染料敏化劑潛力巨大,但目前其應(yīng)用于 DSSC研究鮮有報(bào)道。針對(duì)上述問(wèn)題,本文系統(tǒng)研究了APB中細(xì)菌葉綠素a(BChl a)及其衍生物、3類典型類胡蘿卜素(Car)和4類典型PPC的DSSC光電轉(zhuǎn)換性能,篩選獲得了具有不同光譜特性、光電性能優(yōu)良的天然色素和 PPC光合元件;在

4、此基礎(chǔ)上,通過(guò)優(yōu)化吸附濃度、時(shí)間、溫度,改善光陽(yáng)極厚度和表面形貌特性,色素共敏化等方法,提高光合元件在 TiO2薄膜上吸附量和增強(qiáng)光譜響應(yīng)范圍和能力,從而提高其DSSC光電性能,主要研究結(jié)果如下:
　　利用已建立的快速有效的色素提取分離方法,從3種典型紫細(xì)菌中( Rhodopseudomonas palustris CQV97, Rhodobacter azotoformans R7和Marichromatium sp.283-1

5、)獲得了7種具有不同吸光范圍、極性和結(jié)構(gòu)的細(xì)菌葉綠素(BChl)和類胡蘿卜素(Car);采用皂化酸法獲得了3種改性細(xì)菌葉綠素;10種色素DSSC光電轉(zhuǎn)換測(cè)試結(jié)果表明:在入射光強(qiáng)為100 mW/cm2,不添加任何分散劑的條件下,具有近紅外吸收的天然BChl a光電轉(zhuǎn)化性能較優(yōu)。單一組分Car比多組分Car具有較高的光電性能,玫紅品Car光電轉(zhuǎn)換效率最佳。BChl a敏化TiO2薄膜電極,吸收光譜紅移,800 nm特征熒光淬滅,表明BChl

6、 a光激發(fā)產(chǎn)生的電子導(dǎo)入TiO2半導(dǎo)體導(dǎo)帶。在此基礎(chǔ)上,選用BChl a作為染料敏化劑,進(jìn)一步研究表明,厚度為10μm的TiO2薄膜經(jīng)TiCl4后處理后,在BChl a濃度為0.48 mg/ml時(shí),轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)1.67％。將BChl a與其它不同光譜特征的天然色素共敏化TiO2薄膜電極,拓寬和增強(qiáng)了電極的吸光能力,短路電流Isc和光電轉(zhuǎn)換效率η比單一BChl a敏化劑時(shí)有一定程度的提高,其中BChl a與玫紅品Car終濃度比為3:1時(shí)

7、,Isc和η分別提高12%和7.3%;BChl a與葉綠素a共敏時(shí),相比單一BChl a時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率最大提高2.2倍。
　　以CQV97菌株外周捕光色素蛋白復(fù)合體(Light-harvesting complex2,LH2)為參考標(biāo)準(zhǔn)品,獲得了PPC的吸附平衡時(shí)間為72 h、吸附濃度為46.8μg BChl/ml、TiO2薄膜厚度為10μm,最大Isc是1.46 mA/cm2,光響應(yīng)電流在數(shù)次光照和黑暗交替下基本保持穩(wěn)定,最大η

8、為0.49%,該結(jié)果是目前菠菜LHC的DSSC光電轉(zhuǎn)換效率的2倍?；谏鲜鰲l件,對(duì)CQV97和R7兩菌株的其余3類典型PPC進(jìn)行了DSSC光電測(cè)試,其中R7菌株反應(yīng)中心RC的Isc為1.24 mA/cm2,η為0.57%,該光電轉(zhuǎn)換效率高出目前RC光化學(xué)太陽(yáng)能電池的3個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　WMNTs對(duì)PPC生物兼容性良好。相比TiO2薄膜電極,PPC在WMNTs/TiO2異質(zhì)復(fù)合納米電極上穩(wěn)定性更好,當(dāng)WMNTs在TiO2薄膜中摻入量在