“活学活用”光合作用原理

事实上，提高太阳能电池的光转化电能效率、将免费送达地球的太阳能量加以充分利用，始终是发展和推广太阳能的关键所在。而科学家们只能做到“尽可能”，因为，太阳每秒钟到达地面的能量达80万千瓦，如果能够把太阳光照射地球表面1个小时产生的所有能量聚积起来，就足以满足人类整整1年的能源需求。



科学家从植物身上得到启发，对其光合作用极高的光能吸收、传输和转化效率大感兴趣，并开始“模拟”。



捕光是光合作用中最原初的过程。例如，生活在罕见阳光的深海环境中的海藻，就依靠一种聚光色素复合体的杆状结构来捕光，其中含有的数千个聚光色素分子可以帮助它们吸收极微弱的阳光。实际上，所有植物都有这样一种被科学家称之为“天线”的由层层聚光色素分子构成的物质。以此为基础，科研人员小组计划研制开发出带人造“捕光天线”的新型电池，希望藉此能够提高太阳能电池的效率。



在科学家看来，植物的光合作用是地球上最为有效的固定太阳光能的过程，“如果人类可以像植物一样利用光合作用原理，直接把太阳能转换成人们所需的能源，显然将有效解决能源问题。”而其实，当今人类所消耗的石油、煤、天然气等，都是远古时期植物光合作用的直接和间接产物。



“光合作用每年提供2200亿吨的生物能量，是全人类所需能量的10倍。而把光能变成化学能（和将无机物变成有机物），这个过程在生物体内能量转化效率几乎是100%，能量传递效能基本是90%到98%……”长期从事植物光合作用研究的著名植物生理学家和生物化学家、中国科学院院士匡廷云指出，在光合作用的第一阶段，叶绿体中捕光色素蛋白复合体内光能的吸收传递效率能到90%-98%，之后当光子被传递到反应中心后，反应中心进行能量转化的量子效率几乎能达到100%，“而且整个吸能转能过程在7到15秒内完成。”



光合作用高效的捕光、吸能、转能活动的物质基础是在叶绿体内光合膜上具有一定分子排列和空间构象的色素蛋白复合体和有关电子载体。世界权威科学杂志《自然》曾以“封面文章”形式，发表了由中国科学院生物物理所、植物研究所合作完成的“菠菜主要捕光复合物（LHC－II）晶体结构”的研究成果。它意味着，绿叶中主要捕捉光能的复合物的晶体结构首次被测定出来，复合物高效进行光能吸收和传递的秘密得以破解，为人类复制叶绿体光合膜结构、模拟光合作用打下了重要的理论基础。



这是生物化学、结晶学及结构生物学多学科交叉、科研人员精诚合作的结果。匡廷云主持了其中一个研究小组，为晶体和空间结构的解析打下了物质基础。专家们发现，捕光复合物是一个具有典型正二十面体对称特征的空心球体，这种结构同时揭示了色素分子在复合物中的排布规律，解释了LHC－II能够高效进行光能吸收和传递的原因。而经过6年努力、主持完成LHC-Ⅱ三维结构测定工作的中国科学院生物物理研究所常文瑞研究员表示，光合作用由“捕光系统”和“光反应中心”两个“接力手”共同完成，前者负责把“接力棒”传给后者。



“了解捕光色素蛋白的结构后，人们可以进一步了解其能量传输网络，并将其制成生物芯片来吸收光能。”匡院士说，“将植物光合膜色素蛋白体制成生物芯片或敏化剂，可能为我们提供光能利用效率非常高的叶绿素光伏电池。”



目前，中国科学院的植物所、化学所、技术物理所以及国家纳米中心等单位正着手研制新型的生物光伏电池，决心挑战太阳能电池光量子转换的有关理论上限。



不久前，华东师范大学的科研人员模拟叶绿体结构的吸能转能机理，制成出一种高效的太阳能电池。它采用了二氧化钛和“三明治”结构，色素蛋白复合体一层一层地贴在连有导线的金箔上面，并附上一层导电的金属，另一端则连着导电的有机材料，通过在染料中加一些由纳米荧光材料制成的量子点，使“捕光手”能够“蚕食”多个波长的阳光，从而提高电池的吸能效率。