光伏電池是未來清潔能源的一個(gè)選擇，但是能源轉(zhuǎn)換率低下是一直困擾我們的問題，那么我們?nèi)绾稳ソ鉀Q呢?加州大學(xué)河濱分校的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)植物的光合作用中的奧秘也許是解決這個(gè)問題的關(guān)鍵所在。
加州大學(xué)河濱分校的助理教授將光合作用和物理學(xué)進(jìn)行結(jié)合，得出的結(jié)果證明，可以使太陽能電池效率更高。研究結(jié)果最近發(fā)表在“NanoLetter”雜志上。
NathanGabor曾專注于研究凝聚態(tài)物理學(xué)，很快就對(duì)光合作用產(chǎn)生了濃厚的興趣。在過去的六年里，他開始重新思考太陽能的轉(zhuǎn)換問題：我們能不能把太陽能電池的材料換成可以更有效吸收太陽輻射的材料呢?Gabor說：“植物們通過不斷進(jìn)化已經(jīng)可以達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，但是目前可用的太陽能電池最高只有20%的轉(zhuǎn)換效率，而且不能控制太陽能的突然變化。”這極大地浪費(fèi)了太陽的能量而且妨礙了太陽能電池作為能源的普及。
Gabor和其他教授設(shè)計(jì)了一款新型的“量子熱發(fā)電光伏電池”，解決了能量轉(zhuǎn)換的問題，這款光電池可以控制太陽能電池中的能量流動(dòng)。這個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)合了熱發(fā)電機(jī)和光伏電池，可以吸收太陽輻射的光子，并將其轉(zhuǎn)換為電能。
令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)這款電池可以在不需要主動(dòng)反饋或自適應(yīng)控制機(jī)制的情況下對(duì)太陽能進(jìn)行調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換，目前用于屋頂和太陽能農(nóng)場的常規(guī)光伏技術(shù)當(dāng)中，太陽能功率的變動(dòng)必須要依靠變壓器和反饋控制器進(jìn)行控制，但是這大大降低了太陽能發(fā)電的整體效率。
研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款最簡單的光伏電池，可以將太陽輻射中的能量與平均功率要求進(jìn)行匹配，并可以對(duì)能量波動(dòng)進(jìn)行控制，以避免多余能量累積。
研究人員對(duì)比了兩款最簡單的量子力學(xué)光伏電池系統(tǒng)：其中光伏電池僅僅吸收單一顏色的光，而另外一種電池吸收兩種顏色的光。他們發(fā)現(xiàn)，通過簡單地將光子吸收通道變?yōu)閮蓚€(gè)，光伏電池就自然而然的可以對(duì)能量流進(jìn)行調(diào)節(jié)了。
基本工作原理是一個(gè)通道吸收平均功率高的波長，另一個(gè)吸收平均功率低的波長。這樣，光伏電池就可以在高功率和低功率之間進(jìn)行切換，從而將不同功率的太陽能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的能量輸出。
當(dāng)Gabor和他的團(tuán)隊(duì)將這些簡單的模型應(yīng)用在測量地球表面的太陽光譜的時(shí)候，他們發(fā)現(xiàn)，綠色光的吸收率，即最能吸收每單位波長的部分對(duì)調(diào)整能量沒有作用，因此應(yīng)該被排除出去。他們從系統(tǒng)上對(duì)光電池參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而減少太陽能的波動(dòng)，而且他們發(fā)現(xiàn)，吸收的光譜與綠色植物光合作用中觀察到的光譜幾乎一樣。
研究人員表明，量子熱發(fā)電光伏電池對(duì)能量的調(diào)節(jié)能力可能是解開植物光合作用的關(guān)鍵，同時(shí)這也可以解釋綠色植物在地球上的優(yōu)勢。
其他研究人員最近發(fā)現(xiàn)植物中包括葉綠素A、葉綠素B在內(nèi)的幾種分子結(jié)構(gòu)，對(duì)于防止植物體內(nèi)能量過多積累起著至關(guān)重要的作用，如果沒有這些分子的存在，過多的能量積累可能會(huì)殺死它們。河濱分校的研究人員發(fā)現(xiàn)，他們研究的光伏電池的分子結(jié)構(gòu)與光合作用中葉綠素的分子結(jié)構(gòu)十分類似。
Gabor團(tuán)隊(duì)提出的假設(shè)首先將量子力學(xué)和綠色植物結(jié)合了起來，同時(shí)為檢驗(yàn)自然調(diào)節(jié)的研究人員提供了一套明確的研究方案。更重要的是，他們的設(shè)計(jì)允許對(duì)無能量輸入進(jìn)行檢測，這個(gè)程序使得光伏電池的量子結(jié)構(gòu)從制造角度來講變?yōu)榭赡堋?/p>
