Advanced Energy Materials: 半人工光合系统中由光强度差异所诱发的平面电势梯度现象以及由此产生的光电协同效应

如何多样并有效地利用太阳能已经成为人类在本世纪所面对的重大挑战之一,除了传统的基于物理光伏效应与光电化学办法的太阳能应用技术之外,启发于自然界的光合作用的人工/半人工光和系统在近年来也受到了越来越多的关注。其中,相较于全人工光和体系,半人工光合系统能兼具自然生物材料与人工合成材料的双重的优势,因此更加受到研究者的青睐。然而,现今的半人工光合领域对于这两大核心组分的光电协同作用机制尚未建立透彻的认知,推进对这一现象的研究必将能拓宽我们对半人工光合系统的理解。 

为此,新加坡国立大学材料科学与工程学院陈瑞深助理教授(Assistant Professor TAN Swee Ching)课题组通过将自然光和蛋白部分覆盖到金属-半导体肖特基电极上,揭示了其平面内的电势梯度的形成现象,并由此深入探讨了生物光和蛋白与人工肖特基结之间的光电协同作用机制。

该文章提出了一种独特的生物-肖特基接触的概念,具体的去实现这一概念的器件由紫色光合细菌中提取出的光合蛋白与传统的金属-n型硅基半导体构成。但不同于单一的肖特基结,将具有高光吸收的光合蛋白部分覆盖在肖特基结上能够在该肖特基基底上形成一个人为的光强度差,这一光照差异能够允许肖特基层在其平面内建立起一个高达310 mV的天然电势梯度,进而实现两者的光电协同效果。此外,文章作者又引入了一种基于丁二腈的具有触变性能的胶状电解质用以加强在光照条件下,位于肖特基基底上的光和蛋白表面的势移现象。随后,作者通过将该三大组分(肖特基基底,光合蛋白,胶状电解质)组成生物-肖特基电池又进一步拓展延伸了对这一体系的研究理解。后续发现证明了由光照差异诱导产生并在肖特基层内建立的平面势差可以强化电荷的定向转移,因此其所提出的生物-肖特基电池最终实现了高达1.3 mA cm-2的光电电流密度,这一结果是迄今为止在无氧参与的光和体系中所观测到得最高数值。相关论文以题为“Optical Shading Induces an In-Plane Potential Gradient in a Semiartificial Photosynthetic System Bringing Photoelectric Synergy”发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201901449 )上。