[发明专利]一种热稳定的光学敏化材料及其应用

说明书

技术领域

本发明属于生物技术，具体涉及一种热稳定的光学敏化材料及其应用。

背景技术

面临全球能源消耗问题，太阳能越来越引起人们利用的兴趣。作为最丰富的可持续的能源，太阳能每年照射到地球表面的有100000TW，每小时就相当于人类利用一年的能量总和，估计现今的光合作用每年能量储存率为100TW，仅仅利用千分之一。

太阳能是一切能源的根本，也是我们可利用的、最直接最环保的能源。地球上光合作用是大自然进化出来的、高效利用和转化太阳能的装置，是规模最大的光子能量转换成化学能的过程；光合生物通过“光生物作用”氧化水释放氧气，大量埋藏有机物，在百万年尺度上保证了大气中游离态的氧气O2含量增加，足够生物大爆发和进化所必需(Falkowski and Isozaki2008)。化石燃料(煤炭、石油和其他生物燃料)的化学能起源于几百万年前的光合作用，它们作能源，大的地质历史时期的尺度上，瞬时逆转了亿年过程。在地球氧气含量降低的同时，碳排放量升高还造成了温室效应(Barber 2009)。因此提倡“减少直接燃烧光合作用产物(化石燃料)的燃烧”、和开发“基于光合作用成功理论的新技术”。

捕光复合物捕获和传递光能作为自然光合作用的起始步骤。相比于高等植物的只含叶绿素的捕光复合物，蓝藻的和红藻的捕光复合物藻胆体的捕获和传递光能的效率接近100％；在叶绿素捕光范围较弱的黄绿光区也有较强的吸收；并且嗜热蓝藻Thermosynechococcus vulcanus NIES 2134(以下简称2134)生存于55℃的淡水中；提取到其光合作用捕光复合物——完整藻胆体，耐热实验验证其对比于嗜温蓝藻而言具有更好的热稳定性。根据其高的捕获传递光能的效率、广谱吸收范围和好的热稳定性，我们尝试将其应用于光电转换器件的光学敏化材料。

光电转换器考虑到的两个因素是效率和成本。我们已有光电系统的效率以及稳定性在日渐提高；将来的化石燃料价格升高，光电系统价格优势将逐渐显现。在“光电系统原理、天然光合作用的概念、利用类似天然色素的人工色素来模拟人工光合作用的人工系统”方面的技术进展，将提供最终的解决方案。

近二十年来，染料敏化太阳能电池由于成本低且潜力巨大而值得大力推广，尤其是基于叶绿素的人工光伏设备和超分子光合蛋白复合物的发现，促成了很多先进仿生太阳能光伏设备的开发。类似天然色素的人工色素的研究主要集中在利用细菌视紫红质(BR)，光系统I(PSI)，光系统II(PSII)和光捕获复合体(LHCII)创造直接转换太阳能的光伏设备。后来也有尝试用嗜温蓝藻的藻胆体耦合Chlorin e6染料敏化太阳能电池的研究(于道永，2010)，效率达到0.47％；也有来自嗜温蓝藻的重组别藻蓝蛋白三聚体(rAPC)敏化太阳能电池，效率达到0.26％(Pu Y，2013)。但是考虑提高组装的太阳能电池器件的热稳定性和使用寿命长这一重要性能，我们尝试将嗜热蓝藻的完整藻胆体应用作光学敏化材料。

染料敏化太阳能电池最重要的组成部件是半导体氧化物组成的光电极和敏化剂。敏化剂也由最初的多联吡啶钌发展为后来的有机染料、天然色素等，以及几种染料协同敏化。光敏电池的工作原理主要是敏化电极上的染料分子吸收太阳光后光电效应产生电子，自身变为氧化态；电子注入到半导体光电极的导带，电子瞬间富集到导电玻璃上，产生光电流；电子经过外电路循环后回到阴极导电玻璃，与电解质中的电子受体O_x作用使其转化为电子供体R_ed，后者与染料氧化态作用促使其再生，这样完成一个光电化学循环。(杨宏训,2006)敏化剂必备的三要素是：吸收系数高、响应范围宽、稳定(安佰超，乔庆东，2007)。藻胆体作为蓝藻和红藻的天然捕光装置，必然具有捕光蛋白的“吸光系数高、吸收波长范围宽”等特性；而Themosynechococcus vulcanus NIES 2134(以下简称2134)作为嗜热蓝藻，其藻胆体经过我们的实验验证，具有热稳定性好的特性，这是我们考虑用这种藻胆体作光敏电池敏化剂，构建了基于藻胆体的生物染料敏化太阳能电池(Bio-DSSC)的因素之一。