出品|网易科学人栏目组 翟中超
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把番茄红素储存在透明玻璃瓶中，它们就会迅速降解，因此又换成了不透明瓶子。问题解决了，但这一发现引发了更多的科学问题，研究人员就想，在化学中，降解通常意味着释放电子，如果电子释放的速率足够高，是不是就能产生可测量的电流呢？
图注：太阳能电池板。（图/Pexels）
太阳能发电有许多好处，比如减少化石燃料的使用、更加清洁、取之不尽用之不竭、不会产生碳足迹等。但也有局限性，那就是必须有太阳，如果阴天就没法儿了。
现在，一种利用染料将光转化为能量的基因工程菌（genetically engineered bacterium）可能会改变阴天不能用太阳能发电的状况。加拿大不列颠哥伦比亚的科学家从大肠杆菌中建造了一个廉价的、可持续的太阳能电池，从而创造了一个生物成因的太阳能电池，之所以取这个名字，是因为这种电池是由生物体构成的。这并不是第一个试验性的生物成因太阳能电池，但这次的电池和以往的都不同，科学家表示现在的这种电池能产生更强大的电流。而且，这种电池在昏暗的阳光下也能像在明亮的阳光下一样有效。
不论是什么材料，只要能在阳光照耀下发生反应释放电子，那么可以尝试用于太阳能发电。在生物太阳能电池中，被阳光唤起的材料就是生物性的。常规情况下，太阳能电池板利用无机的晶体硅来产生电流，而现在，晶体硅就换成了染料。
图注：加拿大不列颠哥伦比亚多云及阴天天气较为常见。（图/PxHere）
“不列颠哥伦比亚迫切地希望成为世界上最主要的去碳化经济体之一，”不列颠哥伦比亚大学化学和生物工程学系教授维克拉姆帝亚·亚达夫（Vikramaditya Yadav）说道。“清洁能源的生产与供应是实现这一目标的关键，而太阳能是能源部门实现去碳化的主要候选。然而，不列颠哥伦比亚冬季天气阳光条件不好，在这种情况下，想利用好太阳能，就得需要一种独特的光伏材料。”
亚达夫表示，他们的解决方案耗资不高，而且最终“可以像传统的光伏发电一样，发挥同等的效率。”即使这些新的生物性细胞达不到传统材料的强度，研究人员仍认为这些新材料可以在某些微光环境中发挥出重要作用，比如说矿井和深海勘探。
“我们相信，生物成因太阳能电池将是对无机太阳能电池技术的有益补充，”亚达夫说道。“即使处在发展初期，但这项技术的应用前景比较明晰、广阔。探索微光环境、比如矿井，就会用到生物细胞驱动的传感器，比如我们开发的这种装置。”
图注：上面的概念图展示了太阳能电池的阳极是由生物材料制成的，而这种生物材料又是由能产生番茄红素的表面覆有二氧化钛纳米颗粒的橘色球状细菌制成的。（图/维克拉姆帝亚·亚达夫）
以前，构建生物太阳能电池的尝试主要集中于提取天然染料，因为细菌需要这些染料来进行光合作用。这个过程复杂且成本高昂，会用到有毒材料，这就会对染料造成伤害。加拿大研究人员决定尝试一些不同的方案。研究人员把染料留在细菌中，使之与有机体进行作用，从而诱导细菌产生大量番茄红素。这种番茄红素和番茄及其他红色水中发现的染料的相同的。?
然后，研究人员在细菌上覆盖了一层矿物，这种矿物扮演着半导体的角色，并将这种混合物敷在了玻璃表面。在细胞的一端涂上一层镀膜玻璃作为阳极，常规电流会通过这个阳极，这种装置产生的电流密度比该领域领域其他试验的产生的电流密度要大得多。具体值是每平方厘米0.686毫安对比每平方厘米0.362毫安。这项试验的结果发表在《Small》期刊上。
图注：显微照片显示出细胞在扫描电子显微镜下的样子。（图/维克拉姆帝亚·亚达夫）
利用光敏染料并不是新概念，但在以往的研究中却遇到过障碍。1988年，瑞士科学家迈克尔·格拉兹尔（Michael Gr?tzel）利用光敏染料开发了一种太阳能电池，这种电池就叫做染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cell，简称DSSC）。
“大多数染料敏化太阳能电池都有些明显的局限，”亚达夫说道。“从自然资源中提取染料需要使用有毒溶剂和能量，而且，在进入太阳能电池之前，染料对光线的敏感性就会有显著的退化。我们开发的装置直接解决了这些局限性，并设法使这种太阳能电池投入生产，这个特别适合在光线暗的环境中使用，而且我们的装置更便宜。”
尽管如此，这种装置也存在一些问题。细菌在发电过程中会死亡，所以找到使之存活的方法，就能更高效地利用之，因为细菌可以无限地产生染料。同时，研究人员计划对细胞进行微调，使其能像传统太阳能电池一样提供更多的能量。
“我们的发明是第一代原型，因此想要到达硅太阳能电池的水平还需很大的改进，硅太阳能电池的电流密度是我们这种第一代原型的25倍，”亚达夫说道。“我们并不认为我们的技术是传统太阳能电池的竞争对手，不管怎么说，我们还达不到传统太阳能电池的发电水平。”
图注：在太阳模拟器下测试太阳能电池可以让研究人员评估电池在现实条件下的表现。（图/阿尔曼·博纳克达普；大卫·威尔金森）
像以往很多科学发现一样，这项研究也是偶然所得。“我们最初的动机是开发细菌‘小型工厂’以生产大量番茄红素和其他类胡萝卜素分子来制作保健营养品，”亚达夫说道。“然而，我们的团队在储存新产生的番茄红素时遇到了挑战。”
把番茄红素储存在透明的玻璃瓶中，它们就会迅速降解，因此研究人员又换成了不透明的瓶子。问题解决了，但这一发现引发了更多的科学问题，随后研究人员开辟了一个探索的新途径。“在化学中，降解通常意味着释放电子，我们就想：如果电子释放的速率足够高，是不是就能产生可测量的电流呢？”亚达夫说道。
“研究小组里的一名学生，在看到番茄红素在透明瓶子里的变化后，大声说：‘番茄红素在阳光下这么容易降解吗？如果我们将其放到太阳能电池里会怎样？’这个问题激起了我们发展染料敏化太阳能电池的兴趣，”亚达夫回忆道。“直接在细菌上使用矿物涂层的决定是一场赌博，而这场赌博最后得到了回报。机缘巧合是科学家的伟大盟友，我们非常感谢这个意外的发现以及那位好奇的学生，因为他问了一句‘为什么不能试试呢？’”
本文来源：网易科学人
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