具有生物光高敏精细分级结构的光电转换材料研究

Currently, low photoelectric conversion efficiency is still the most challenging issue for all the solar energy based power systems. Manipulation of structures of photoelectric conversion materials in micro- and nano-scale can be used to increase the photoelectric conversion efficiency. The increase, however, is still limited, and the techniques used are usually complicated, which hinder their applications in large scale. In nature, many biological structures, such as green leaves, insect wings, and diatoms, exhibit high sensitivity toward light, which is mainly attributed to their hierarchical, precise, and integrated structures that are developed during the evolution in millions of years. Inspired by these biological structures, in this project the team will fabricate high performance photoelectric conversion materials using a bio-templated approach, by which the originally desired biologically hierarchical structures are well kept, while the organic compositions are substituted by inorganic materials with photoelectric conversion ability. The research will be focused on: the establishment of an approach for transferring the organic compositions into binary and ternary inorganic oxides, the tunable principles of the biological structures during the processing, and the impact of the biological structures and the inorganic compositions on the photoelectric conversion efficiency. This research is expected to offer new insight for the further research and development of solar energy based systems with high photoelectric conversion efficiency.

目前，低光电转换效率是太阳能技术发展所面临的关键问题之一。目前研究主要通过调节光电转换材料的微纳结构（如纳米阵列、分级结构），来提高光电转换效率。然而，截至目前效率依然不高，并且工艺复杂，难以大规模应用。反观自然界中的某些生物结构（树叶、昆虫翅膀、硅藻等），经长期进化形成了精细、集成的分级结构，以实现高效率的光敏感特性。启迪于此，本项目拟以典型的生物结构为模板，通过物理化学方法，保持其三维精细分级结构，并将成分转化为具有光电转换特性的无机材质，制备具有生物光高敏精细分级结构的光电转换材料。研究基于不同生物模板的两元、三元无机材质的转换方法，总结生物结构在材质转变过程中的调控规律，构筑具有生物光高敏精细分级结构的光电转换材料新技术原型，研究高光敏的生物结构、无机材质对光电转换效率的耦合效应，为开发具有新型高光电转换效率的太阳能器件提供理论依据和实用途径。

太阳能作为一种清洁、持久的能源形式，其有效利用与储存受到了人们极大的关注。目前利用太阳能的各类方法所面临的主要问题都是应用过程中整体能量转换效率不高。而从仿生的角度研究开发高效光电转换体系也开始受到极大关注。自然界经过长期优胜劣汰形成了很多高效率的太阳光响应系统。因此，将自然界长期进化而形成的特殊生物结构与功能引入到光电转换系统中，研究结构对提高材料光电转换效率的作用，对推动太阳能利用效率的提高具有重要的意义。本项目团队科学意义及创新之处不仅在于采用自然的天然生物模板如蝶翅等，同时在研究获得的材料结构-性能耦合的基础上提出人工仿生光电材料，并以此为基准，同时选取拥有等离激元光-电-热效应的贵金属纳米材料进行仿生设计，以获得超乎自然的优异光-电-热转换性能。本项目以生物模板优化、制备人工仿生光电材料，材料光电、光热、光化学转换性能等，以及转换机制模型建立和模拟展开。从生物模板优化开始过渡到人工仿生材料制备，因为人工材料截取自然生物模板实际所需要的性能进行复制和扩展，那么人工仿生光电材料的性能将会优于自然生物模板。而仿生光电材料性能主要研究了其能量获取，传递和转换功能，涉及了光电、光热、光化学转换新材料的研究，并引入了具有等离激元效应的贵金属纳米材料实现能量转换性能。突出成果有利用等离激元复合薄膜利用区域集热效应实现高效蒸发，由此开展了大量光-电-热能量转换新材料基础与应用研究。另外，由于开发光电器件的瓶颈不仅在于光吸收、光电转换效率，同时还在于高集成度器件使用时，余热排除的问题。因此项目团队以此为契机，创新地提出柔性热管作为解决光电器件的散热方案。目前项目团队通过前期大量的实验经验的积累，数据归纳整合，提出新型光电转换功能材料光吸收和光电转换机制等物理模型和具体计算方法。大部分成果已经成文发表在国际高水平期刊上（Nature Energy, Advanced Materials, Small, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Materials Chemistry, Nanoscale, Scientific Reports，Applied Thermal Engineering等）。