技术|科技先锋：叶绿素太阳能电池

互推小编 2024-01-11

目前，全球每年至少要消耗13太瓦(1太瓦=1万亿瓦)能源。石油等化石能源的不可再生性，决定了人们必须寻找其替代品。

功率达12万太瓦的太阳便进入了人们的视线。理论上，只要收集1小时的太阳能，就可满足人类全年的能源需求。

为了有效地收集太阳能，人们尝试了各种方法，比如开发大面积、高效、低成本的太阳能电池。目前已有产业化的晶体硅(单晶硅、多晶硅)太阳能电池，部分投产的薄膜电池(非晶/微晶硅硅基薄膜、碲化镉和铜铟镓硒)，以及主要处于研究中的染料敏化电池、有机薄膜电池等。

一种叶绿素太阳能电池，因为尽可能模仿了自然界中的光合作用而备受关注。

从阳燧取火到太阳能电池

说起来，人类利用太阳能的历史古已有之。公元前9世纪，中国人开始用“阳燧”(凹面镜)聚光取火。公元7世纪，开始使用凸透境聚集太阳能取火。

到了近代，太阳能的利用变得普遍。1950年代，太阳能利用领域取得两项重大技术突破：一是1954年美国贝尔实验室研制出6%的实用型单晶硅电池，二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项突破为太阳能利用的普遍应用奠定了技术基础。

1970年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮。

几十年时间，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。比如，晶体硅(单晶硅、多晶硅)太阳能电池目前已有广泛产业化规模，薄膜电池也有部分投产。

目前，要想大规模地推广太阳能技术，光能转化效率和能量的有效储存是两个绕不开的大难题。

晶硅电池的光电转换效率理论上最高可达32%，目前产业化水平在14%-18%之间。但居高不下的制造成本，大大限制了其使用范围。目前晶硅电池的理论使用寿命是20年(实际运营中还要考虑到电池面的清洁，以及恶劣天气带来的意外损伤等情况)，在全使用期的发电售价约为同期传统电价的2倍。

一些新开发的高效率太阳能电池面板造价更为高昂。比如，一种转化效率高达41%的复合型光合电池，10厘米见方造价就达数千美元，而电压仅为0.5伏。连发明这种电池的德国夫琅禾费太阳能研究所所长艾克韦伯都认为：“这样高的价格，真要买来安装，谁都会犹豫的。”

此外，如何储存能量也是难题之一。

自然界的光捕捉系统

有没有一种方法能够有效避免如上难题?

实际上，自然界一直有一套太阳光捕捉系统，从第一个绿色生命诞生算起，这套系统已经运转了27亿年。这就是光合作用。

目前德国科学家研究发现，一种叫做LHC一Ⅱ的膜蛋白在绿色植物中含量最为丰富，被视为捕光复合物。这是一个具有典型正20面体对称特征的空心球体，其中布满了色素分子，以便吸收光能并进行传递。

这些色素分子，包括叶绿素a(Chlorophylla)、叶绿素b(Chlorophyll b)、类胡萝卜素(Carotenoids)等。目前已知的是，在漫长的进化历程中，植物只选择了吸收红光的叶绿素a和吸收蓝紫光的叶绿素b捕捉光。

近来研究发现，为了应对弱光环境，有些植物还衍生出了吸收长波光线的色素。2010年，研究人员在西澳大利亚鲨鱼湾的一个藻青菌菌落中偶然提取到这种叶绿素，将其命名为叶绿素f。它能够吸收红光和红外光，波长范围为0.7微米到0.8微米(红外线的波长是0.77微米-1000微米，分为近红外、中红外)。

从以叶绿素为主的捕光系统到光反应中心，再加上10种辅助因子(如锰、铁、镁等)的共同作用，光合作用这个复杂且精巧的系统，把光转化成电，再转化为固定状态化学能，一气呵成。

利用光合作用造电池

近些年，科学家们开始尝试利用光合作用原理研制电池。比如将植物里的叶绿素提取出来，放到人工制备的膜里，光照时就会产生电。这就是叶绿素电池。

2004年，有报道说美国科学家已利用菠菜提取的蛋白质造出了叶绿素电池。他们从菠菜中分离出能够捕捉光的蛋白质，并且把它们放入两层导电材料之间。当有光照射到这个微型装置的时候，电流就产生了。

但是，这些蛋白质分子非常脆弱，当其被从天然环境中移走之后，常常无法继续工作。所以科学家把它们混合在一种叫做缩氨酸表面活性剂的很像肥皂的分子中。这些保护分子在这些产生能量的蛋白质周围形成一层保护膜，使其就像仍在植物环境之中。

蛋白质被放置在薄薄的金片上，附上一层导电的金属，顶层是导电的有机材料。当光照射在这个“假三明治”上，蛋白质就会释放电子，传到下一层的金属层形成电流。

专注于太阳能开发的美国加州理工学院的刘易斯教授指出，“我们希望设计出与绿叶光合作用尽可能相似的过程。”言下之意，就是要实现收集太阳光的功能，但其结构又要尽量简化。

2006年，澳大利亚悉尼大学的马克斯。克鲁斯雷教授科研组制造出了一个形状像足球的合成叶绿素分子，是一个由碳、氢、氮合成的高度分岔的纳米聚合体。粘附其上的是人工合成的色素卟啉(促成叶绿素进行光合作用必不可少的元素，位于镁离子的中心)。利用合成叶绿素，克鲁斯雷和他的科研组建造一个有机太阳能电池的雏形。希望最终能制造出比现有太阳能电池更有效的电池。因为绿叶能有效地将30%-40%的光能转变成电能。

克鲁斯雷说：“我们已经拥有了模仿光电设备或太阳能电池的主要成分。从长远来看，我们必须设法生产出一种能像薄薄的一层油漆那样，简单地涂抹在屋顶上的东西。”他表示，科研组还希望能制造出存储装置，用来代替以金属为基础的电池。

实际上，真正的叶绿素太阳能电池，因为“人造绿叶”的难度，目前仍处于研究阶段，但模仿光合作用原理的电池已经制造出来，这就是染料敏化电池。自从1991年瑞士洛桑高工(EPFL)M. Gratzel(迈克尔·格兰泽尔)教授领导的研究小组在该技术上取得突破以来，欧、美、日等发达国家已投入大量资金研发。

上海大学材料学院研究人员杨伟光表示，染料敏化电池是用敏化剂类人工合成染料代替了植物中的叶绿素。目前，英国G24 Innovations公司已经具备30兆瓦的生产能力，并生产和出售电池组件产品，转化效率在6%以上。另有瑞士Solaronix、以色列3Gsolar等公司专门生产和出售染料敏化太阳能电池原料，如染料、浆料、电解质、电极材料等。杨伟光说，目前染料敏化电池组件最高效率达10%左右。这个记录是日本夏普公司创造的。“但只在研发阶段，没有商业产品。”

国内染料敏化电池的研制和产业化也有起步。据杨伟光介绍，目前除了高校和科研院所的研发，彩虹集团技术中心(北京)是目前国内唯一一家染料敏化电池的企业研发中心。而在产业化方面，2009年中船重工国营汉光机械厂(邯郸)与中国科学院化学所合作总投资1.5亿元，进行全国首个“染料敏化太阳能电池”产业化项目，但至今仍无产品出售。另有报道称，2011年11月19日，国内首个新型染料敏化太阳能电池项目已在青岛高新区胶州湾北部园区投产。

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