探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 044

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

044 生物基材料探索：用来自自然的材料创造能源 2025-10-27

将自然的馈赠转化为能源，是光伏技术一个充满前景的探索方向。传统的硅基太阳能电池虽高效，但其制造过程能耗高，且依赖不可再生的矿物资源。而有机光伏（OPV）技术，特别是结合生物基材料，正致力于解决这些问题，旨在发展出真正高效、低碳且可持续的能源解决方案。

下面的表格梳理了目前生物基材料在有机光伏各组件中的主要探索方向和候选材料。

光伏组件 传统材料 生物基替代材料探索 优势与潜力
活性层 (吸光材料) 合成聚合物、富勒烯等 类胡萝卜素(如虾青素)、叶绿素、木质素 来源广泛、可生物降解、通过化学修饰可调控光电性能
电子传输层 金属氧化物等 源自木浆的牛皮纸木质素 提升器件稳定性，来源可再生
封装/基板 石油基聚合物(如EVA) 纳米纤维素、洋葱色素增强的纳米纤维素、废弃厌氧消化物提取的纳米纤维素 优异的紫外线过滤能力、可降低30%碳足迹、部分可燃烧回收贵金属


前沿进展与设计策略
生物基材料要从实验室走向实际应用，核心挑战在于如何让其光电转换效率和稳定性媲美合成材料。研究人员正通过一些巧妙的分子设计来攻克这一难题：

拓展共轭与化学修饰：天然的类胡萝卜素（如虾青素）分子骨架柔性较强，这不利于电荷传输。研究人员通过与其邻苯二胺等进行缩合反应，成功扩展了其π共轭结构。进一步的卤素（氟、氯）修饰，能优化其分子能级，最终使基于虾青素衍生物的器件效率比未经修饰前提升了三个数量级。

材料复合与性能协同：在芬兰图尔ku大学的研究中，将红洋葱染料与纳米纤维素复合，制备出的生物基涂层在紫外过滤性能上甚至优于传统的PET基材料。这展示了通过将不同生物基材料复合，可以实现“1+1>2”的协同增效。

绿色加工工艺：除了材料本身，制造过程也更环保。例如，研究人员已成功使用水作为溶剂来加工有机光伏纳米颗粒，通过选用表面能匹配的非富勒烯受体，获得了接近10%的转换效率，显著缩小了与有毒溶剂加工器件的性能差距。


生物基光伏的未来机遇
生物基光伏材料的发展，与更宏大的可持续愿景紧密相连：

构建循环经济：利用沼气产业的废弃消化物提取纳米纤维素用于光伏组件，不仅能减少光伏产业自身的碳足迹，也为农业或生物燃气行业的废弃物提供了高价值的出路，实现了资源的循环利用。

开拓独特应用场景：生物基材料轻、薄、柔性的特点，使其非常适合用于建筑光伏一体化（BIPV）、可穿戴电子设备以及面向特定需求的柔性、可降解电子器件等领域。在这些场景下，对绝对效率的要求可以适当放宽，更看重其环境效益和形态优势。


面临的挑战与发展方向

尽管前景广阔，但生物基有机光伏从实验室走向产业化仍面临严峻挑战：

效率与稳定性的鸿沟：这是最核心的瓶颈。目前报道的生物基光伏器件效率普遍较低（例如虾青素衍生物器件为0.12%），与实验室级传统有机光伏超过19%的效率以及商业化硅基电池相比差距巨大。其长期运行稳定性也是一大考验。

材料性能的局限：许多天然材料本身电荷迁移率低、能级调控困难，且其批次差异性和复杂的提纯工艺也为大规模、低成本的工业生产带来了不确定性。

产业链尚未形成：从生物原料的稳定供应、到材料的精炼加工，再到专用制造设备的开发，一整套服务于生物基光伏的产业链尚在雏形，需要跨领域的合作与大量投入。