树叶启发太阳能电池新技术

2010-9-15 14:58 来源: 中国仪器仪表学会分析仪器分会
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  大自然总会带给人类无限的启示。许多造福人类的发明也是从自然中得到的灵感,如世界上第一批防毒面具诞生的灵感来源于野猪的鼻子;火箭升空利用的是水母、墨鱼反冲原理;变色龙帮助我们研制出了不少军事伪装装备;毒蛇的“热眼”功能研究开发出了微型热传感器等等。这样例子数不胜数。近日,美国的研究人员称,树叶经过数千万年进化而获得的防止阳光灼伤的自我修复功能或许能帮助他们研发出具有可再生功能的太阳能电池,让电池的使用寿命无止境地延续下去。

  残忍的阳光

  9月5日出版的《自然化学》杂志着重介绍了美国麻省理工学院的化学工程师斯特拉诺等人的这项研究,并称这一项研究为生产廉价、具备自我修复功能、使用期限可以无限延长的太阳能电池打下了基础。此后的几天时间里,包括英国广播公司、美国《发现》杂志网站、美国《大众科学》网站、美国《技术评论》杂志网站等主流媒体都对这一研究进行了报道,预示着这项技术或将带来太阳能电池领域的大变革。

  众所周知,阳光是地球上生命的源泉,但它的破坏性却不能被忽略。人类为何会变老?放在太阳下的纸片、塑料等为何会轻易报废?美国麻省理工学院的化学工程师斯特拉诺解释说,这一切都是因为阳光中的紫外线在与氧气混合后,会有很大的破坏力。经过长时间的照射,再坚固的物体都会慢慢瓦解。“即使是专门吸收阳光的植物叶片在阳光下曝晒过久后,也会渐渐失去功效,更何况太阳能电池等其他的物体。”斯特拉诺说。因此即使对于吸收阳光的树叶来说,阳光也是残忍的。当植物全力地进行光合作用时,如果不采取防护措施,树叶也会被氧气、紫外线等破坏性分子毁坏。

  大自然的启示

  美国《大众科学》网站介绍,树上的树叶与太阳能板上的光伏电池一样,看上去都是在静止不动的情况下吸收阳光。然而,树叶其实有一个非常精彩的“内心世界”。由于阳光直射的破坏力实在太大,叶片内部的蛋白质每隔大约45分钟就必须循环一次,形成新的光合反应中心,替代已被日光烘烤近1小时的老光合反应中心,避免阳光带来的伤害。这是经过千万年的进化后大自然赋予树叶的生存技能。这种快速的自我修复程序也让植物可以在充分享受阳光的同时不至于“飞蛾扑火”。

  树叶的这种自我修复功能激发了斯特拉诺,以及来自伊利诺伊州立大学的斯里格尔、怀特等人的灵感,想到模拟树叶的这一技能,可以让一直被阳光烘烤的太阳能电池自行修复。目前人们对太阳能电池的研究大都局限在如何提高转化效率、如何延长使用寿命上,但却很少有人想到开发电池的再生功能,让其无止境地工作下去。该研究如此的独特性引起了其他业界同行的巨大兴趣。美国德克萨斯A&M大学纳米复合材料教授格伦兰将该技术称为“人造的翻版自然技能”,同时认为它是“开拓性的、对以后发展有巨大影响的研究”,因为“以前还从未有过类似的研究”。英国布里斯托大学的生物化学家约翰认为,这项研究“虽然非常简单,但却十分实用。”

  自我修复太阳能电池

  在了解到树叶内光合作用中心的循环特点后,斯德拉诺及其研究团队就决定,与其制造使用寿命超长的太阳能电池,还不如向自然学习,走太阳能电池自我修复之路。试验开始阶段,研究人员使用的是一种紫细菌中采集阳光的光合反应中心。随后,他们将反应中心里加入了一些感光蛋白质、脂类,用于形成系统结构;以及碳纳米管,用做导线传导产生的电力。这些工作完成后,所有零部件都将放入一个装满水(水中含有胆酸钠,一种让所有部件凝聚的表面活性剂)的透析袋中。透析袋里的隔膜只允许小分子通过。

  随后的发现让研究人员很惊喜,因为在将表面活性剂过滤之后,所有的零部件会自动组装成一个整体,捕捉光线的同时能产生电流。工作人员解释,这一自然组装之所以能够实现,是由这些部件的化学性质决定的,因为组装完成后,他们彼此之间恰巧都处于相对适合的位置。用于支撑结构的蛋白质包围脂类,形成一个小圆盘,而光合反应中心则在圆盘之上。小圆盘会顺着有小气孔的碳纳米管排列,小气孔的作用是让光合反应中心产生的电子顺利通过。如果将胆酸钠重新加入这一装置,装置就会自动分解;过滤胆酸钠后又有新的装置形成,如此循环。

  “该过程的美妙之处在于,它是可逆的。也就是说分开的零部件可以自行组装,而组装以后的装置也可以拆分成单个零部件。就像是在玩智力拼图游戏时,所有的小部分自动拼成一幅完整的图片一样。” 斯德拉诺说。当一套装置失去活力后,只需加入表面活性剂将其拆分,再重新组装,就会重新恢复活力。在试验中,斯德拉诺的团队成功地让一套装置持续工作了1个多星期。

  当然,目前看来,该装置还不能与太阳能硅电池竞争。但约翰表示,硅电池也是在经过几十年的研发后,才有了今天的转换效率。如果在该装置上投入相同的资金、经历同样的时间,一定也能成就同样高效率,并且还能自我修复、可在弱光环境下工作的太阳能电池。