陰天也能發電的“細菌太陽能電池”

2019-04-30 11:17:22 admin

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

    現在,一種利用染料將光轉化為能量的基因工程菌(genetically engineered bacterium)可能會改變陰天不能用太陽能發電的狀況。加拿大不列顛哥倫比亞的科學家從大腸桿菌中建造了一個廉價的、可持續的太陽能電池,從而創造了一個生物成因的太陽能電池,之所以取這個名字,是因為這種電池是由生物體構成的。這并不是第一個試驗性的生物成因太陽能電池,但這次的電池和以往的都不同,科學家表示現在的這種電池能產生更強大的電流。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生反應釋放電子,那么可以嘗試用于太陽能發電。在生物太陽能電池中,被陽光喚起的材料就是生物性的。常規情況下,太陽能電池板利用無機的晶體硅來產生電流,而現在,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濟體之一,”不列顛哥倫比亞大學化學和生物工程學系教授維克拉姆帝亞˙亞達夫(Vikramaditya Yadav)說道。“清潔能源的生產與供應是實現這一目標的關鍵,而太陽能是能源部門實現去碳化的主要候選。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,就得需要一種獨特的光伏材料。”

   亞達夫表示,他們的解決方案耗資不高,而且最終“可以像傳統的光伏發電一樣,發揮同等的效率。”即使這些新的生物性細胞達不到傳統材料的強度,研究人員仍認為這些新材料可以在某些微光環境中發揮出重要作用,比如說礦井和深??碧?。

   “我們相信,生物成因太陽能電池將是對無機太陽能電池技術的有益補充,”亞達夫說道。“即使處在發展初期,但這項技術的應用前景比較明晰、廣闊。探索微光環境、比如礦井,就會用到生物細胞驅動的傳感器,比如我們開發的這種裝置。”

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制成的。(圖/維克拉姆帝亞˙亞達夫)

   以前,構建生物太陽能電池的嘗試主要集中于提取天然染料,因為細菌需要這些染料來進行光合作用。這個過程復雜且成本高昂,會用到有毒材料,這就會對染料造成傷害。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菌中,使之與有機體進行作用,從而誘導細菌產生大量番茄紅素。這種番茄紅素和番茄及其他紅色水中發現的染料的相同的。?

   然后,研究人員在細菌上覆蓋了一層礦物,這種礦物扮演著半導體的角色,并將這種混合物敷在了玻璃表面。在細胞的一端涂上一層鍍膜玻璃作為陽極,常規電流會通過這個陽極,這種裝置產生的電流密度比該領域領域其他試驗的產生的電流密度要大得多。具體值是每平方厘米0.686毫安對比每平方厘米0.362毫安。這項試驗的結果發表在《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,瑞士科學家邁克爾˙格拉茲爾(MichaelGr?tzel)利用光敏染料開發了一種太陽能電池,這種電池就叫做染料敏化太陽能電池(dye-sensitizedsolarcell,簡稱DSSC)。

   “大多數染料敏化太陽能電池都有些明顯的局限,”亞達夫說道。“從自然資源中提取染料需要使用有毒溶劑和能量,而且,在進入太陽能電池之前,染料對光線的敏感性就會有顯著的退化。我們開發的裝置直接解決了這些局限性,并設法使這種太陽能電池投入生產,這個特別適合在光線暗的環境中使用,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。細菌在發電過程中會死亡,所以找到使之存活的方法,就能更高效地利用之,因為細菌可以無限地產生染料。同時,研究人員計劃對細胞進行微調,使其能像傳統太陽能電池一樣提供更多的能量。

   “我們的發明是第一代原型,因此想要到達硅太陽能電池的水平還需很大的改進,硅太陽能電池的電流密度是我們這種第一代原型的25倍,”亞達夫說道。“我們并不認為我們的技術是傳統太陽能電池的競爭對手,不管怎么說,我們還達不到傳統太陽能電池的發電水平。”

   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卜素分子來制作保健營養品,”亞達夫說道。“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,隨后研究人員開辟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?”亞達夫說道。

   “研究小組里的一名學生,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涂層的決定是一場賭博,而這場賭博最后得到了回報。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‘為什么不能試試呢?’”

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