科学家发明弱光高效太阳能电池(图)

导读： 麻省理工学院的化学工程师Michael Strano表示，他们从树叶的光合作用和自我修复原理中得到了启发，不再把研究的重点放在如何提高太阳能的耐用性上，决定开始尝试设计一个损坏部分可自我替换的系统。

据国外媒体报道，麻省理工学院的科学家们近日借鉴树叶光合作用发明了一种有着自我修护作用的太阳能电池。同时，这种电池可以将光像分子一样紧紧聚齐在一起，产生双倍于普通电池存储的电量。

据悉，光合作用是通过将光能转化为电能，继而将电能转化为活跃的化学能，最终将其转化为稳定的化学能的过程，这一过程也就为利用光合作用发电提供了基础。由于光合作用能够相对高效地将太阳能转化成电能，而且在转化的过程中仅消耗水，对环境没有丝毫的污染，所以在其它自然能源日益匮乏，环境污染严重的今天，利用光合作用解决人类的能源需求问题已经成为科学家研究的热点问题。光合作用进行的场所是叶绿体。高等植物叶绿体的直径为4~10μm，厚度在1~2μm之间。在叶绿体中，有几个到几十个基粒，每个基粒都由囊状的结构垛叠而成，在囊状结构的薄膜上，有进行光合作用的色素。光合作用包括两个主要步骤：一是需要光参与的、在叶绿体的囊状结构上进行的光反应;二是不需要光参与的、在有关酶的催化下在叶绿体基质内进行的暗反应。光反应又分为两个步骤：原初反应，将光能转化成电能，分解水并释放氧气;电子传递和光合磷酸化，将电能转化为活跃的化学能。暗反应是以植物体内的C5化合物(1，5-二磷酸核酮糖)和CO2为原料，利用光反应产生的活跃的化学能，形成储存能量的葡萄糖。虽然太阳光对树叶的光合作用起着至关重要的作用，但强烈的紫外线也会利用粗糙的氧分子和其它破坏性分子来损坏树叶，这时树叶就需要不断的建立新的光合作用反应中心来换掉被破坏的分子。

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。 太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火电、核电相比，太阳能电池不会引起环境污染;太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。

麻省理工学院的化学工程师迈克尔•斯特拉诺(Michael Strano)表示，他们从树叶的光合作用和自我修复原理中得到了启发，不再把研究的重点放在如何提高太阳能的耐用性上，决定开始尝试设计一个损坏部分可自我替换的系统。

据了解，科学家们利用一个紫色细菌的光合作用反应中心来进行试验，他们在这个结构中加入一些蛋白质和脂肪，为了可以发电还创造性的加入了碳纳米管。科学家们为了只让小分子通过这些材料，他们还将这些材料都放入了一个装满水的透析袋中。同时，科学家还在这些材料中添加了一种表面活性剂，这些材料由于自身的化学特性会自发的集合成一团，而且它们还会根据产生最大电流量的样式自动结合。卷绕在脂肪上的支架蛋白在光合作用反应中心的帮助下会形成一些小圆盘，这些小圆盘会自动沿着碳纳米管排列，继而从光合作用中心产生的电流会从这些小圆盘中的小孔中穿过。当研究小组将这堆材料中的表面活性剂过滤时，他们捕捉到了由太阳光产生的一丝电流。这些复合材料虽然最终会失效，但它们同时也很容易就能够 “复活”。研究人员为了使混合材料工作的效率更高，持续的时间更长久，每周都会进行四次替换工作-即将这些混合在一起的材料拆开，然后再在光合作用反应中心中重新注入新的材料，这样就可实现太阳能电池的自我修复工作。

研究人员表示，虽然这种太阳能电池还不能与现在广泛使用的硅元素太阳能电池媲美，但硅元素太阳能电池需要经过几十年的研究和发展才能提高发电效率，而相同的投资如果投放在这项新式太阳能电池上，不仅在短时间内会完成高效的发电，而且在弱光条件都可工作。科学家近一步表示，他们将来会尝试从植物中提取材料来应用到这个太阳能电池中，希望这个太阳能电池早日成为真正的绿色电池。

据纳米复合材料的专家杰米•格伦林(Jaime Grunlan)表示，这个技术是将大自然的“工作原理”人工化，这个研究是科学界的一项开创性研究。