加州大學(xué)河濱分校(University of California Riverside)的一名助理教授利用光合作用與物理學(xué)方法極大提高了太陽電池效率，這是一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)成果最近已經(jīng)發(fā)表在了《納米快報(bào)》(Nano Letters)上。


內(nèi)森·伽柏(Nathan Gabor)的研究重點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)?zāi)蹜B(tài)物理，并利用光來探測(cè)量子力學(xué)的基本規(guī)律。2010年的一天，伽柏突然想到一個(gè)問題：植物為什么是綠色的?于是他對(duì)光合作用產(chǎn)生了興趣，并且他很快發(fā)現(xiàn)，沒有人真正對(duì)該問題做出解釋。

為了解決這一問題，在過去6年里，伽柏帶著他的物理學(xué)背景深入到生物學(xué)領(lǐng)域。

同時(shí)，他開始反思太陽能轉(zhuǎn)換效率的問題：能否制造一種材料，可以更高效地吸收太陽的波動(dòng)能量?

植物無疑是太陽能轉(zhuǎn)化高手。據(jù)伽柏介紹，目前的太陽電池，性能最好的不過20%的轉(zhuǎn)化效率，它們?cè)谔柲芰堪l(fā)生突變時(shí)表現(xiàn)很差。這樣很多能量就浪費(fèi)掉了，太陽電池難以作為主要能源的局限也在于此。

為此，伽柏和UCR一些物理學(xué)家設(shè)計(jì)了量子熱機(jī)光電池來解決這一問題。該設(shè)計(jì)采用熱動(dòng)力電池吸收來自太陽的光子，然后將光子的能量轉(zhuǎn)化為電能。這種光電池可以控制電池內(nèi)部的能量流。


目前用于屋頂和農(nóng)場(chǎng)的傳統(tǒng)光電技術(shù)需要用電壓轉(zhuǎn)換器和反饋控制器來抑制太陽能的波動(dòng)，這極大限制了太陽能電池的整體轉(zhuǎn)化效率。但令研究人員意想不到的是，量子熱機(jī)光電池?zé)o需正反饋或者自適應(yīng)控制機(jī)制就能控制太陽能的轉(zhuǎn)換。這很令人驚艷。

內(nèi)森·伽柏所在的量子材料光電實(shí)驗(yàn)室。他們用紅外激光光譜技術(shù)來研究量子光電池的自然調(diào)控機(jī)制。

UCR團(tuán)隊(duì)想讓光電池盡可能匹配平均能量需求，并且通過抑制能量波動(dòng)來避免太陽電池的能量冗余，最終設(shè)計(jì)出最簡(jiǎn)單的太陽電池。

研究人員對(duì)比了兩種最簡(jiǎn)單的量子光電池：一種只吸收單色光，另一種吸收雙色光。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙光子通道可以使光電池自動(dòng)調(diào)節(jié)能量流。

這是因?yàn)閷?duì)于雙光子通道的光電池，其中一個(gè)通道吸收較高功率的光波，而另一通道則吸收較低功率的光波。光電池通過在高功率與低功率間轉(zhuǎn)換來穩(wěn)定輸出太陽能。

伽柏團(tuán)隊(duì)用這些簡(jiǎn)單模型測(cè)量地表太陽能光譜時(shí)，發(fā)現(xiàn)綠光在單位波長(zhǎng)太陽能譜中的功率最高。綠光無益于能量流的調(diào)節(jié)，應(yīng)當(dāng)被過濾掉。為了減少太陽能的波動(dòng)，他們系統(tǒng)地優(yōu)化了太陽電池的參數(shù)，并且發(fā)現(xiàn)太陽電池的吸收光譜與綠色植物的吸收光譜幾乎相同。

研究人員認(rèn)為，量子熱機(jī)光電池的能量自發(fā)調(diào)控機(jī)制或許就是植物光合作用的關(guān)鍵，它也有可能對(duì)植物在地球的生存優(yōu)勢(shì)做出解釋。

冗余能量在植物細(xì)胞內(nèi)積累可以殺死植物。最近有研究人員發(fā)現(xiàn)，葉綠素A和葉綠素B等分子機(jī)構(gòu)可能是植物避免能量冗余的關(guān)鍵。UCR研究人員發(fā)現(xiàn)量子熱機(jī)光電池的分子結(jié)構(gòu)與光合作用植物的兩種葉綠素結(jié)構(gòu)很類似。

伽柏和團(tuán)隊(duì)提出的假說第一次將量子結(jié)構(gòu)和綠色植物聯(lián)系起來，并且為驗(yàn)證自發(fā)調(diào)控的研究人員提供了明確的測(cè)試方案。同樣重要的是，由于光電池的量子結(jié)構(gòu)，他們的設(shè)計(jì)無需正反饋。