使用將光轉化為能量的細菌可以使陰天普遍存在的地方可以更廣泛採用太陽能. 圖片來源: ©FotoAndalucia / Fotolia
不列顛哥倫比亞大學的研究人員發現了一種廉價, 可持續的方法, 可以利用將光轉化為能量的細菌來建造太陽能電池.
他們的電池產生的電流強於先前類似裝置產生的電流, 並且在昏暗的光線下和在強光下一樣有效.
這一創新可能是在不列顛哥倫比亞省和北歐部分地區廣泛採用太陽能的一步, 在這些地方, 陰天很常見. 隨著進一步發展, 這些太陽能電池 - 由於它們是由生物體組成而被稱為生物源 - 可以變得與傳統太陽能電池板中使用的合成電池一樣高效.
領導這個項目的UBCs化學與生物工程系教授Vikramaditya Yadav說: '我們解決了一個古老的問題, 使太陽能朝著更經濟的方向邁出了重要的一步. '
太陽能電池是太陽能電池板的基石. 他們負責將光轉換為電流. 以前建立生物太陽能電池的努力集中於提取細菌用於光合作用的天然色素. 這是一種昂貴且複雜的過程, 涉及有毒溶劑並可能導致染料降解.
UBC的研究人員解決方案是將染料留在細菌中. 他們對大腸杆菌進行基因工程改造, 生產出大量的番茄紅素 - 這種色素可以使西紅柿呈現紅橙色, 在收穫光能轉化為能量方面特別有效. 研究人員用可以作為半導體的礦物質塗覆細菌, 並將混合物塗在玻璃表面上.
概念圖展示了太陽能電池的陽極是由生物材料製成的, 而這種生物材料又是由能產生番茄紅素的表面覆有二氧化鈦納米顆粒的橘色球狀細菌產生的. (圖/Vikramaditya Yadav) 塗層玻璃作為電池一端的陽極, 它們產生的電流密度為每平方厘米0.686毫安, 比該領域其他人創造的0.362毫安有所改善.
Yadav說: '我們記錄了生物太陽能電池的最高電流密度. 我們正在開發的這些混合材料可以經濟和可持續地製造. 並且通過充分優化後, 可以以傳統太陽能電池相當的效率運行. '
節省的成本很難估算, 但Yadav認為該工藝可以將色素生產的成本降低到原來的十分之一. Yadav說, '聖杯' 將是找到一種不會殺死細菌的方法, 這樣細菌就可以無限地產生色素.
他補充說, 這些生物材料在採礦, 深海勘探和其他低光環境中還有其他潛在的應用.
偶然所得
像以往很多科學發現一樣, 這項研究也是偶然所得. '我們最初的動機是開發細菌 '小型工廠' 以生產大量番茄紅素和其他類胡蘿蔔素分子來製作保健營養品, ' Yadav說道. '然而, 我們的團隊在儲存新產生的番茄紅素時遇到了挑戰. '
把番茄紅素儲存在透明的玻璃瓶中, 它們就會迅速降解, 因此研究人員又換成了不透明的瓶子. 問題解決了, 但這一發現引發了更多的科學問題, 隨後研究人員開闢了一個探索的新途徑. '在化學中, 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, 是不是就能產生可測量的電流呢? ' Yadav說道.
'研究小組裡的一名學生, 在看到番茄紅素在透明瓶子裡的變化後, 大聲說: '番茄紅素在陽光下這麼容易降解嗎? 如果我們將其放到太陽能電池裡會怎樣? ' 這個問題激起了我們發展染料敏化太陽能電池的興趣, ' 亞達夫回憶道. '直接在細菌上使用礦物塗層的決定是一場賭博, 而這場賭博最後得到了回報. 機緣巧合是科學家的偉大盟友, 我們非常感謝這個意外的發現以及那位好奇的學生, 因為他問了一句 '為什麼不能試試呢? ' '
