目前，全球每年至少要消耗13太瓦（1太瓦=1萬(wàn)億瓦）能源。石油等化石能源的不可再生性，決定了人們必須尋找其替代品。

功率達(dá)12萬(wàn)太瓦的太陽(yáng)便進(jìn)入了人們的視線。理論上，只要收集1小時(shí)的太陽(yáng)能，就可滿足人類全年的能源需求。

為了有效地收集太陽(yáng)能，人們嘗試了各種方法，比如開發(fā)大面積、高效、低成本的太陽(yáng)能電池。目前已有產(chǎn)業(yè)化的晶體硅（單晶硅、多晶硅）太陽(yáng)能電池，部分投產(chǎn)的薄膜電池（非晶/微晶硅硅基薄膜、碲化鎘和銅銦鎵硒），以及重要處于研究中的染料敏化電池、有機(jī)薄膜電池等。

一種葉綠素太陽(yáng)能電池，因?yàn)楸M可能模仿了自然界中的光合用途而備受關(guān)注。

從陽(yáng)燧取火到太陽(yáng)能電池

說(shuō)起來(lái)，人類利用太陽(yáng)能的歷史古已有之。公元前9世紀(jì)，我國(guó)人開始用“陽(yáng)燧”（凹面鏡）聚光取火。公元7世紀(jì)，開始使用凸透境聚集太陽(yáng)能取火。

到了近代，太陽(yáng)能的利用變得普遍。1950年代，太陽(yáng)能利用領(lǐng)域取得兩項(xiàng)重大技術(shù)突破：一是1954年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出6％的實(shí)用型單晶硅電池，二是1955年以色列Tabor提出選擇性吸收表面概念和理論并研制成功選擇性太陽(yáng)吸收涂層。這兩項(xiàng)突破為太陽(yáng)能利用的普遍應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1970年代以來(lái)，鑒于常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力的新增，許多國(guó)家掀起了開發(fā)利用太陽(yáng)能的熱潮。

幾十年時(shí)間，太陽(yáng)能利用技術(shù)在研究開發(fā)、商業(yè)化生產(chǎn)、市場(chǎng)開拓方面都獲得了長(zhǎng)足發(fā)展，成為世界快速、穩(wěn)定發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。比如，晶體硅（單晶硅、多晶硅）太陽(yáng)能電池目前已有廣泛產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，薄膜電池也有部分投產(chǎn)。

目前，要想大規(guī)模地推廣太陽(yáng)能技術(shù)，光能轉(zhuǎn)化效率和能量的有效儲(chǔ)存是兩個(gè)繞不開的大難題。

晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率理論上最高可達(dá)32%，目前產(chǎn)業(yè)化水平在14％-18％之間。但居高不下的制造成本，大大限制了其使用范圍。目前晶硅電池的理論使用壽命是20年（實(shí)際運(yùn)營(yíng)中還要考慮到電池面的清潔，以及惡劣天氣帶來(lái)的意外損傷等情況），在全使用期的發(fā)電售價(jià)約為同期傳統(tǒng)電價(jià)的2倍。

一些新開發(fā)的高效率太陽(yáng)能電池面板造價(jià)更為高昂。比如，一種轉(zhuǎn)化效率高達(dá)41%的復(fù)合型光合電池，10厘米見方造價(jià)就達(dá)數(shù)千美元，而電壓僅為0.5伏。連發(fā)明這種電池的德國(guó)夫瑯禾費(fèi)太陽(yáng)能研究所所長(zhǎng)艾克韋伯都認(rèn)為：“這樣高的價(jià)格，真要買來(lái)安裝，誰(shuí)都會(huì)猶豫的。”

此外，如何儲(chǔ)存能量也是難題之一。

自然界的光捕捉系統(tǒng)

有沒(méi)有一種方法能夠有效防止如上難題？

實(shí)際上，自然界一直有一套太陽(yáng)光捕捉系統(tǒng)，從第一個(gè)綠色生命誕生算起，這套系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)了27億年。這就是光合用途。

目前德國(guó)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，一種叫做LHC一Ⅱ的膜蛋白在綠色植物中含量最為豐富，被視為捕光復(fù)合物。這是一個(gè)具有典型正20面體對(duì)稱特點(diǎn)的空心球體，其中布滿了色素分子，以便吸收光能并進(jìn)行傳遞。

這些色素分子，包括葉綠素a（Chlorophylla）、葉綠素b（Chlorophyllb）、類胡蘿卜素（Carotenoids）等。目前已知的是，在漫長(zhǎng)的進(jìn)化歷程中，植物只選擇了吸收紅光的葉綠素a和吸收藍(lán)紫光的葉綠素b捕捉光。

近來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，為了應(yīng)對(duì)弱光環(huán)境，有些植物還衍生出了吸收長(zhǎng)波光線的色素。2010年，研究人員在西澳大利亞鯊魚灣的一個(gè)藻青菌菌落中偶然提取到這種葉綠素，將其命名為葉綠素f。它能夠吸收紅光和紅外光，波長(zhǎng)范圍為0.7微米到0.8微米（紅外線的波長(zhǎng)是0.77微米-1000微米，分為近紅外、中紅外）。

從以葉綠素為主的捕光系統(tǒng)到光反應(yīng)中心，再加上10種輔助因子（如錳、鐵、鎂等）的共同用途，光合用途這個(gè)復(fù)雜且精巧的系統(tǒng)，把光轉(zhuǎn)化成電，再轉(zhuǎn)化為固定狀態(tài)化學(xué)能，一氣呵成。

利用光合用途造電池

近些年，科學(xué)家們開始嘗試?yán)霉夂嫌猛驹硌兄齐姵亍１热鐚⒅参锢锏娜~綠素提取出來(lái)，放到人工制備的膜里，光照時(shí)就會(huì)出現(xiàn)電。這就是葉綠素電池。

2004年，有報(bào)道說(shuō)美國(guó)科學(xué)家已利用菠菜提取的蛋白質(zhì)造出了葉綠素電池。他們從菠菜中分離出能夠捕捉光的蛋白質(zhì)，并且把它們放入兩層導(dǎo)電材料之間。當(dāng)有光照射到這個(gè)微型裝置的時(shí)候，電流就出現(xiàn)了。

但是，這些蛋白質(zhì)分子非常脆弱，當(dāng)其被從天然環(huán)境中移走之后，常常無(wú)法繼續(xù)工作。所以科學(xué)家把它們混合在一種叫做縮氨酸表面活性劑的很像肥皂的分子中。這些保護(hù)分子在這些出現(xiàn)能量的蛋白質(zhì)周圍形成一層保護(hù)膜，使其就像仍在植物環(huán)境之中。

蛋白質(zhì)被放置在薄薄的金片上，附上一層導(dǎo)電的金屬，頂層是導(dǎo)電的有機(jī)材料。當(dāng)光照射在這個(gè)“假三明治”上，蛋白質(zhì)就會(huì)釋放電子，傳到下一層的金屬層形成電流。

專注于太陽(yáng)能開發(fā)的美國(guó)加州理工學(xué)院的劉易斯教授指出，“我們希望設(shè)計(jì)出與綠葉光合用途盡可能相似的過(guò)程。”言下之意，就是要實(shí)現(xiàn)收集太陽(yáng)光的功能，但其結(jié)構(gòu)又要盡量簡(jiǎn)化。

2006年，澳大利亞悉尼大學(xué)的馬克斯?？唆斔估捉淌诳蒲薪M制造出了一個(gè)形狀像足球的合成葉綠素分子，是一個(gè)由碳、氫、氮合成的高度分岔的納米聚合體。粘附其上的是人工合成的色素卟啉（促成葉綠素進(jìn)行光合用途必不可少的元素，位于鎂離子的中心）。利用合成葉綠素，克魯斯雷和他的科研組建造一個(gè)有機(jī)太陽(yáng)能電池的雛形。希望最終能制造出比現(xiàn)有太陽(yáng)能電池更加有效的電池。因?yàn)榫G葉能有效地將30%－40%的光能轉(zhuǎn)變成電能。

克魯斯雷說(shuō)：“我們已經(jīng)擁有了模仿光電設(shè)備或太陽(yáng)能電池的重要成分。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我們必須設(shè)法生產(chǎn)出一種能像薄薄的一層油漆那樣，簡(jiǎn)單地涂抹在屋頂上的東西?！彼硎荆蒲薪M還希望能制造出存儲(chǔ)裝置，用來(lái)代替以金屬為基礎(chǔ)的電池。

實(shí)際上，真正的葉綠素太陽(yáng)能電池，因?yàn)椤叭嗽炀G葉”的難度，目前仍處于研究階段，但模仿光合用途原理的電池已經(jīng)制造出來(lái)，這就是染料敏化電池。自從1991年瑞士洛桑高工（EpFL）M.Gratzel（邁克爾·格蘭澤爾）教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在該技術(shù)上取得突破以來(lái)，歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家已投入大量資金研發(fā)。

上海大學(xué)材料學(xué)院研究人員楊偉光表示，染料敏化電池是用敏化劑類人工合成染料代替了植物中的葉綠素。目前，英國(guó)G24Innovations公司已經(jīng)具備30兆瓦的生產(chǎn)量力，并生產(chǎn)和出售電池組件產(chǎn)品，轉(zhuǎn)化效率在6%以上。另有瑞士Solaronix、以色列3Gsolar等公司專門生產(chǎn)和出售染料敏化太陽(yáng)能電池原料，如染料、漿料、電解質(zhì)、電極材料等。楊偉光說(shuō)，目前染料敏化電池組件最高效率達(dá)10%左右。這個(gè)記錄是日本夏普公司創(chuàng)造的?！暗辉谘邪l(fā)階段，沒(méi)有商業(yè)產(chǎn)品?！?/p>

國(guó)內(nèi)染料敏化電池的研制和產(chǎn)業(yè)化也有起步。據(jù)楊偉光介紹，目前除了高校和科研院所的研發(fā)，彩虹集團(tuán)技術(shù)中心（北京）是目前國(guó)內(nèi)唯一一家染料敏化電池的公司研發(fā)中心。而在產(chǎn)業(yè)化方面，2009年特種國(guó)營(yíng)漢光機(jī)械廠（邯鄲）與我國(guó)科學(xué)院化學(xué)所合作總投資1.5億元，進(jìn)行全國(guó)首個(gè)“染料敏化太陽(yáng)能電池”產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，但至今仍無(wú)產(chǎn)品出售。另有報(bào)道稱，2011年十一月十九日，國(guó)內(nèi)首個(gè)新型染料敏化太陽(yáng)能電池項(xiàng)目已在青島高新區(qū)膠州灣北部園區(qū)投產(chǎn)。