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模仿光合作用自我能量采集的太阳能电池

2010-09-28 09:37
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  布满磷脂盘状物(phospholipid disks)的碳纳米管,能让太阳能电池具备自我修复(self-repairing)的功能,就像是植物行光合作用。这种光电化学(photoelectrochemical)太阳能电池是由美国麻省理工学院(MIT)的研究人员所开发,其能源转换效率号称可达到目前效能最佳之固态太阳能光电板的两倍。

  以人工方式进行的太阳能转换,以及自然界的太阳能转换,两者间的主要不同之处,在于工程师会为太阳能电池做防护,以避免固态无机材料的逐渐劣化;而自然界的太阳能转换,是通过光合作用,来预防并修复不可避免的液态有机材料损坏。

  在自然界,使用永续性太阳能的案例不胜枚举;举例来说,能让树叶进行光合作用的有机化合物,经常会受到阳光的损坏,但树叶有自我修复机制。通过对能够不断更新其太阳能转换燃料机制的生物性光合作用过程之研究,科学家们现在已经有自信能制作出模仿该种自我修复能力的太阳能电池。

  MIT的研究人员并没有声称已经破解光合作用的秘密,但表示已能够模仿植物的自我修复机制,不断充实其能量采集技术。

  光合作用过程包含一些内建的机制,植物内部以化学为基础的动力引擎,会周期性地分解为基本的功能区块(building blocks),然后那些更新过的元素会再重组成全新的引擎。根据MIT教授Michael Strano的说法,植物会每个小时执行以上的程序,更新并循环其基于蛋白质的光合作用功能,使其以最佳效率持续运作。

  Strano所开发的方案,具备一种会模仿光合作用程序可逆性、叫做磷脂的合成性盘状分子,该种分子每一个都具备能将光线转换成电流的内部反应中心;当把该种分子与碳纳米管混合到溶液中,盘状分子会围绕着碳纳米管自我组装。由于碳的导电性比金属好,当曝露在阳光下时,奈米管会提高释入盘状分子的电子之传输率。

  而在盘状分子的内部,Strano的团队利用了会自我组装成光线采集器的、由七种不同元素组成的化合物,建立了类似光合作用的循环性机制。通过添加一类似除油剂的接口活性剂,所有化合物组合会裂解为原来的元素;若再用过滤器将溶液中的接口活性剂去除,那些原始元素又会再次自我组装成太阳能电池。

  与目前性能最佳的、能源转换效率不到20%的固态太阳能电池相比,MIT研究人员开发出的液态光电化学电池,转换效率号称可达到40%;研究人员并表示,开发浓度更高的碳纳米管与盘状分子组合,可望能将这种太阳能电池的效率进一步提高。

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