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| “捕光天线”捕尽太阳能 | ||||||||||
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| 作为21世纪最有潜力的清洁能源，太阳能产业有着巨大的发展前景，可以为目前能源短缺和非再生能源的消耗所引起的环境问题提供一个很好的解决途径。 实际上，如果能将太阳光照射地球表面1个小时产生的所有能量聚积起来，就足以满足人类整整一年的能源需求。但是，目前最有效也是最昂贵的太阳能电池也仅能将所获得光能的17%%转化为电能，而成本较为低廉二氧化钛太阳能电池的光转化效率只有10%%。如何将这些免费送达地球的能量加以充分利用，是发展和推广太阳能应用的关键。 植物的光合作用给了研究人员很多启发。绿色植物和藻类能吸收并利用光能，通过光合作用生长繁殖，而捕光正是光合作用中最原初的过程。比如生活在罕见阳光的深海环境中的海藻，就可依靠一种被称为聚光色素复合体的杆状结构来捕光，色素复合体中含有数千个聚光色素分子，可以帮助海藻吸收极微弱的阳光。这些能吸收聚集光能的色素也被称为天线色素。德国卡尔斯鲁厄大学纳米技术研究所的巴拉班表示，深海海藻通过天线色素能够捕获可利用光中高达97%%的光子。 事实上，所有植物都有这种由一层层聚光色素分子构成的“天线”，大部分绿叶的光利用率在30%%—40%%。以此为基础，巴拉班以及很多科研小组都研制出了类似的人造“捕光天线”，并计划开发带“天线”的新型太阳能电池，希望藉此能够提高太阳能电池的效率。 澳大利亚悉尼大学的马克斯•克罗斯利带领的研究小组率先利用合成紫质(卟啉，一种色素分子)制成了人造“捕光天线”。合成紫质可以吸收较大范围光谱的光，将100多个这种分子“搭建”在类似植物脉络结构的支架上，就形成了“捕光天线”。不过依靠现有技术，一点一点排列这些色素分子是一个耗时耗力的过程。 美国亚利桑那州州立大学的研究人员则试图采用DNA折纸术来控制色素分子的排列，让“捕光天线”进行自我组装。所谓DNA折纸术，就是用一根单线条来绘图，将一根长的DNA单链像绳索一样反复折叠，最终形成所需要的图形。研究人员将合成紫质与DNA单链“绑”在一起，并希望通过多条DNA单链的组合，构建出一个含有大量色素分子的三维支架状“天线”。 而巴拉班则直接照搬了自然界植物“捕光天线”的原理。他和同事发现，有些分子可以吸附在植物色素分子上，并像胶水一样将色素分子黏合在一起。他们找到了很多可以充当“胶水”的物质，包括锌分子等。实验证实，在“胶水”分子的帮助下，合成紫质分子很容易就自动结合在一起形成“捕光天线”，并且能够在阳光下吸收光子。巴拉班表示，要让这个雪茄状“天线”吸收特定光谱范围的光，只需调整它的长度就可以了。如果吸收可见光，“天线”长度通常在100纳米左右。巴拉班目前正在尝试将人造“天线”安装到二氧化钛薄膜上，这是制造低成本太阳能电池的关键一步。他还打算将这种“捕光天线”与不同的半导体材料结合，运用到现有的其他种类太阳能电池上。 那么，“捕光天线”到底如何为太阳能电池提供更多能量呢？ 在植物的光合作用中，天线色素分子将吸收的光能传递给一种特殊的名为P680的叶绿素分子，P680吸收能量后释放出高能电子，将二氧化碳转化成为植物所需要的糖分。而在太阳能电池中，合成紫质分子吸收光子后将其传递到半导体材料，光子经碰撞后各释放一个电子，从而形成电流。 不过，麻省理工大学的丹尼尔•诺切拉认为，要促使太阳能转变成为目前主要的能源资源，单单依靠安装“捕光天线”来提高太阳能电池的效率是不够的，还需要找到有效储存太阳能的方法，以方便运输，同时 保证夜间也能使用。 诺切拉也正在同斯坦福大学的内森•路易斯合作研制“捕光天线”，不过他们的目的不是要将光能转化为电能来利用，而是要制造更容易储存的氢。在他们的装置中，光子释放出来的电子在催化剂的作用下，可以将水分解为氢气和氧气(见示意图)。氢气可以储存在太阳能电池中备用。整个过程与光合作用将水分解为氢和氧的原理相似。 虽然利用可再生能源制备氢气的做法并不新鲜，但是诺切拉相信，他们研制的带有“捕光天线”的太阳能电池制氢装置，不仅能够提高电池的使用效率，而且还可以避免电能转移过程中出现的能量损失问题，可谓一举两得。不过，诺切拉承认，将这两个步骤成功地合二为一还需要一定时间。 文章出处:科技日报 |
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