陰天也能發(fā)電的“細(xì)菌太陽能電池”

   太陽能發(fā)電有許多好處，比如減少化石燃料的使用、更加清潔、取之不盡用之不竭、不會(huì)產(chǎn)生碳足跡等。但也有局限性，那就是必須有太陽，如果陰天就沒法兒了。

    現(xiàn)在，一種利用染料將光轉(zhuǎn)化為能量的基因工程菌（genetically engineered bacterium）可能會(huì)改變陰天不能用太陽能發(fā)電的狀況。加拿大不列顛哥倫比亞的科學(xué)家從大腸桿菌中建造了一個(gè)廉價(jià)的、可持續(xù)的太陽能電池，從而創(chuàng)造了一個(gè)生物成因的太陽能電池，之所以取這個(gè)名字，是因?yàn)檫@種電池是由生物體構(gòu)成的。這并不是第一個(gè)試驗(yàn)性的生物成因太陽能電池，但這次的電池和以往的都不同，科學(xué)家表示現(xiàn)在的這種電池能產(chǎn)生更強(qiáng)大的電流。而且，這種電池在昏暗的陽光下也能像在明亮的陽光下一樣有效。

   不論是什么材料，只要能在陽光照耀下發(fā)生反應(yīng)釋放電子，那么可以嘗試用于太陽能發(fā)電。在生物太陽能電池中，被陽光喚起的材料就是生物性的。常規(guī)情況下，太陽能電池板利用無機(jī)的晶體硅來產(chǎn)生電流，而現(xiàn)在，晶體硅就換成了染料。

   “不列顛哥倫比亞迫切地希望成為世界上最主要的去碳化經(jīng)濟(jì)體之一，”不列顛哥倫比亞大學(xué)化學(xué)和生物工程學(xué)系教授維克拉姆帝亞˙亞達(dá)夫（Vikramaditya Yadav）說道。“清潔能源的生產(chǎn)與供應(yīng)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵，而太陽能是能源部門實(shí)現(xiàn)去碳化的主要候選。然而，不列顛哥倫比亞冬季天氣陽光條件不好，在這種情況下，想利用好太陽能，就得需要一種獨(dú)特的光伏材料。”

   亞達(dá)夫表示，他們的解決方案耗資不高，而且最終“可以像傳統(tǒng)的光伏發(fā)電一樣，發(fā)揮同等的效率。”即使這些新的生物性細(xì)胞達(dá)不到傳統(tǒng)材料的強(qiáng)度，研究人員仍認(rèn)為這些新材料可以在某些微光環(huán)境中發(fā)揮出重要作用，比如說礦井和深?？碧?。

   “我們相信，生物成因太陽能電池將是對(duì)無機(jī)太陽能電池技術(shù)的有益補(bǔ)充，”亞達(dá)夫說道。“即使處在發(fā)展初期，但這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景比較明晰、廣闊。探索微光環(huán)境、比如礦井，就會(huì)用到生物細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的傳感器，比如我們開發(fā)的這種裝置。”

圖注：上面的概念圖展示了太陽能電池的陽極是由生物材料制成的，而這種生物材料又是由能產(chǎn)生番茄紅素的表面覆有二氧化鈦納米顆粒的橘色球狀細(xì)菌制成的。（圖/維克拉姆帝亞˙亞達(dá)夫）

   以前，構(gòu)建生物太陽能電池的嘗試主要集中于提取天然染料，因?yàn)榧?xì)菌需要這些染料來進(jìn)行光合作用。這個(gè)過程復(fù)雜且成本高昂，會(huì)用到有毒材料，這就會(huì)對(duì)染料造成傷害。加拿大研究人員決定嘗試一些不同的方案。研究人員把染料留在細(xì)菌中，使之與有機(jī)體進(jìn)行作用，從而誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生大量番茄紅素。這種番茄紅素和番茄及其他紅色水中發(fā)現(xiàn)的染料的相同的。?

   然后，研究人員在細(xì)菌上覆蓋了一層礦物，這種礦物扮演著半導(dǎo)體的角色，并將這種混合物敷在了玻璃表面。在細(xì)胞的一端涂上一層鍍膜玻璃作為陽極，常規(guī)電流會(huì)通過這個(gè)陽極，這種裝置產(chǎn)生的電流密度比該領(lǐng)域領(lǐng)域其他試驗(yàn)的產(chǎn)生的電流密度要大得多。具體值是每平方厘米0.686毫安對(duì)比每平方厘米0.362毫安。這項(xiàng)試驗(yàn)的結(jié)果發(fā)表在《Small》期刊上。

   利用光敏染料并不是新概念，但在以往的研究中卻遇到過障礙。1988年，瑞士科學(xué)家邁克爾˙格拉茲爾（MichaelGr?tzel）利用光敏染料開發(fā)了一種太陽能電池，這種電池就叫做染料敏化太陽能電池（dye-sensitizedsolarcell，簡稱DSSC）。

   “大多數(shù)染料敏化太陽能電池都有些明顯的局限，”亞達(dá)夫說道。“從自然資源中提取染料需要使用有毒溶劑和能量，而且，在進(jìn)入太陽能電池之前，染料對(duì)光線的敏感性就會(huì)有顯著的退化。我們開發(fā)的裝置直接解決了這些局限性，并設(shè)法使這種太陽能電池投入生產(chǎn)，這個(gè)特別適合在光線暗的環(huán)境中使用，而且我們的裝置更便宜。”

   盡管如此，這種裝置也存在一些問題。細(xì)菌在發(fā)電過程中會(huì)死亡，所以找到使之存活的方法，就能更高效地利用之，因?yàn)榧?xì)菌可以無限地產(chǎn)生染料。同時(shí)，研究人員計(jì)劃對(duì)細(xì)胞進(jìn)行微調(diào)，使其能像傳統(tǒng)太陽能電池一樣提供更多的能量。

   “我們的發(fā)明是第一代原型，因此想要到達(dá)硅太陽能電池的水平還需很大的改進(jìn)，硅太陽能電池的電流密度是我們這種第一代原型的25倍，”亞達(dá)夫說道。“我們并不認(rèn)為我們的技術(shù)是傳統(tǒng)太陽能電池的競爭對(duì)手，不管怎么說，我們還達(dá)不到傳統(tǒng)太陽能電池的發(fā)電水平。”

   像以往很多科學(xué)發(fā)現(xiàn)一樣，這項(xiàng)研究也是偶然所得。“我們最初的動(dòng)機(jī)是開發(fā)細(xì)菌‘小型工廠’以生產(chǎn)大量番茄紅素和其他類胡蘿卜素分子來制作保健營養(yǎng)品，”亞達(dá)夫說道。“然而，我們的團(tuán)隊(duì)在儲(chǔ)存新產(chǎn)生的番茄紅素時(shí)遇到了挑戰(zhàn)。”

   把番茄紅素儲(chǔ)存在透明的玻璃瓶中，它們就會(huì)迅速降解，因此研究人員又換成了不透明的瓶子。問題解決了，但這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了更多的科學(xué)問題，隨后研究人員開辟了一個(gè)探索的新途徑。“在化學(xué)中，降解通常意味著釋放電子，我們就想：如果電子釋放的速率足夠高，是不是就能產(chǎn)生可測(cè)量的電流呢？”亞達(dá)夫說道。

   “研究小組里的一名學(xué)生，在看到番茄紅素在透明瓶子里的變化后，大聲說：‘番茄紅素在陽光下這么容易降解嗎？如果我們將其放到太陽能電池里會(huì)怎樣？’這個(gè)問題激起了我們發(fā)展染料敏化太陽能電池的興趣，”亞達(dá)夫回憶道。“直接在細(xì)菌上使用礦物涂層的決定是一場(chǎng)賭博，而這場(chǎng)賭博最后得到了回報(bào)。機(jī)緣巧合是科學(xué)家的偉大盟友，我們非常感謝這個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)以及那位好奇的學(xué)生，因?yàn)樗麊柫艘痪?lsquo;為什么不能試試呢？’”