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并最終實現電荷分離的全部過程。葉綠素分子是自然界當中儲量最為豐富，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。這樣一種低成本、環境友好的太陽能電池具有潛在的應用價值從而解決我國的能源與環境問題，從根本上為國家可持續發展提供保障。

吉林大學王曉峰教授課題組以葉綠素衍生物作為主要光敏半導體材料，將其應用于染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池等薄膜太陽能電池器件。在此基礎上，受自然界中光合作用的啟發，課題組模擬自然界Z型光合作用的電子傳遞方式，設計出兩種僅由葉綠素衍生物為光敏材料構成的雙層和三層全葉綠素生物仿生太陽能電池，為薄膜太陽能電池的進一步發展帶來了全新的研究視角。

圖1：模擬Z型光合作用的雙層生物太陽能電池。

2018級博士研究生段勝楠在國際上首次采用葉綠素衍生物模擬自然界Z型光合作用中光系統的電子傳輸途徑，制備出雙層葉綠素生物太陽能電池。其光敏上層為具有雙極性含有雙氰基的葉綠素a衍生物，模擬光系統II（電子給體），下層采用含有羥基、中心金屬為鋅的葉綠素a聚集體，模擬光系統I（電子受體）。在標準太陽光模擬器的光照下，其光電轉化效率可達1.3%，為新型生物薄膜太陽能電池的設計開辟出新思路。

相關研究成果發表在ACS Energy Letters上。（DOI: 10.1021/acsenergylett.8b00797）

圖2：模擬Z型光合作用的三層生物太陽能電池。

在此基礎上，2016級博士研究生趙文婕優化太陽能電池結構，采用含羧基官能團能夠吸附在二氧化鈦介孔內的葉綠素衍生物作為初始電子受體，取代之前的氧化鋅作為底部電子傳輸層，其余光敏層與雙層結構相同，上層為具有雙極性含有雙氰基的葉綠素a衍生物，模擬光系統II（電子給體），中層采用含有羥基、中心金屬為鋅的葉綠素a聚集體，模擬光系統I（電子受體）。由于這種級聯葉綠素a衍生物的組合可達到最高效的光吸收、電荷抽取和傳遞，所以在標準太陽光模擬器的光照下，三層生物太陽能電池實現了高達4.2%的光電轉換效率。

相關研究成果同樣發表在ACS Energy Letters上。（DOI: 10.1021/acsenergylett.8b02279）

除此之外，王曉峰教授課題組還嘗試將葉綠素衍生物應用于染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、光催化制氫、以及超級電容器儲能等諸多領域，且均取得了一系列重要的研究進展。相關研究成果發表于Materials Chemistry Frontiers（DOI：10.1039/c9qm00377k）、Solar RRL（DOI：10.1002/solr.201900203；10.1002/solr.202000166；10.1002/solr.202000162）、ACS Applied Energy Materials（DOI：10.1021/acsaem.8b00380）、Advanced Materials Interface（DOI：10.1002/admi.201902080）、以及Electrochimica Acta（DOI：10.1016/j.electacta.2020.136283）等高水平期刊。同時，王曉峰教授還致力于二維層狀材料MXenes在光伏和光催化領域的研究，相關研究成果發表于Advanced Functional Materials（DOI：10.1002/adfm.201905694）、Nano-Micro Letters（DOI：10.1007/s40820-019-0309-6）、Journal of Materials Chemistry A（DOI: 10.1039/c8ta12140k；10.1039/C8TA02706D）等領域內權威雜志。