目前，全球每年至少要消耗13太瓦（1太瓦=1萬億瓦）能源。石油等化石能源的不可再生性，決定了人們必須尋找其替代品。

功率達12萬太瓦的太陽便進入了人們的視線。理論上，只要收集1小時的太陽能，就可滿足人類全年的能源需求。

為了有效地收集太陽能，人們嘗試了各種方法，比如開發(fā)大面積、高效、低成本的太陽能電池。目前已有產(chǎn)業(yè)化的晶體硅（單晶硅、多晶硅）太陽能電池，部分投產(chǎn)的薄膜電池（非晶/微晶硅硅基薄膜、碲化鎘和銅銦鎵硒），以及重要處于研究中的染料敏化電池、有機薄膜電池等。

一種葉綠素太陽能電池，因為盡可能模仿了自然界中的光合用途而備受關(guān)注。

從陽燧取火到太陽能電池

說起來，人類利用太陽能的歷史古已有之。公元前9世紀，我國人開始用“陽燧”（凹面鏡）聚光取火。公元7世紀，開始使用凸透境聚集太陽能取火。

到了近代，太陽能的利用變得普遍。1950年代，太陽能利用領(lǐng)域取得兩項重大技術(shù)突破：一是1954年美國貝爾實驗室研制出6％的實用型單晶硅電池，二是1955年以色列Tabor提出選擇性吸收表面概念和理論并研制成功選擇性太陽吸收涂層。這兩項突破為太陽能利用的普遍應用奠定了技術(shù)基礎。

1970年代以來，鑒于常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力的新增，許多國家掀起了開發(fā)利用太陽能的熱潮。

幾十年時間，太陽能利用技術(shù)在研究開發(fā)、商業(yè)化生產(chǎn)、市場開拓方面都獲得了長足發(fā)展，成為世界快速、穩(wěn)定發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。比如，晶體硅（單晶硅、多晶硅）太陽能電池目前已有廣泛產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，薄膜電池也有部分投產(chǎn)。

目前，要想大規(guī)模地推廣太陽能技術(shù)，光能轉(zhuǎn)化效率和能量的有效儲存是兩個繞不開的大難題。

晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率理論上最高可達32%，目前產(chǎn)業(yè)化水平在14％-18％之間。但居高不下的制造成本，大大限制了其使用范圍。目前晶硅電池的理論使用壽命是20年（實際運營中還要考慮到電池面的清潔，以及惡劣天氣帶來的意外損傷等情況），在全使用期的發(fā)電售價約為同期傳統(tǒng)電價的2倍。

一些新開發(fā)的高效率太陽能電池面板造價更為高昂。比如，一種轉(zhuǎn)化效率高達41%的復合型光合電池，10厘米見方造價就達數(shù)千美元，而電壓僅為0.5伏。連發(fā)明這種電池的德國夫瑯禾費太陽能研究所所長艾克韋伯都認為：“這樣高的價格，真要買來安裝，誰都會猶豫的。”

此外，如何儲存能量也是難題之一。

自然界的光捕捉系統(tǒng)

有沒有一種方法能夠有效防止如上難題？

實際上，自然界一直有一套太陽光捕捉系統(tǒng)，從第一個綠色生命誕生算起，這套系統(tǒng)已經(jīng)運轉(zhuǎn)了27億年。這就是光合用途。

目前德國科學家研究發(fā)現(xiàn)，一種叫做LHC一Ⅱ的膜蛋白在綠色植物中含量最為豐富，被視為捕光復合物。這是一個具有典型正20面體對稱特點的空心球體，其中布滿了色素分子，以便吸收光能并進行傳遞。

這些色素分子，包括葉綠素a（Chlorophylla）、葉綠素b（Chlorophyllb）、類胡蘿卜素（Carotenoids）等。目前已知的是，在漫長的進化歷程中，植物只選擇了吸收紅光的葉綠素a和吸收藍紫光的葉綠素b捕捉光。

近來研究發(fā)現(xiàn)，為了應對弱光環(huán)境，有些植物還衍生出了吸收長波光線的色素。2010年，研究人員在西澳大利亞鯊魚灣的一個藻青菌菌落中偶然提取到這種葉綠素，將其命名為葉綠素f。它能夠吸收紅光和紅外光，波長范圍為0.7微米到0.8微米（紅外線的波長是0.77微米-1000微米，分為近紅外、中紅外）。

從以葉綠素為主的捕光系統(tǒng)到光反應中心，再加上10種輔助因子（如錳、鐵、鎂等）的共同用途，光合用途這個復雜且精巧的系統(tǒng)，把光轉(zhuǎn)化成電，再轉(zhuǎn)化為固定狀態(tài)化學能，一氣呵成。

利用光合用途造電池

近些年，科學家們開始嘗試利用光合用途原理研制電池。比如將植物里的葉綠素提取出來，放到人工制備的膜里，光照時就會出現(xiàn)電。這就是葉綠素電池。

2004年，有報道說美國科學家已利用菠菜提取的蛋白質(zhì)造出了葉綠素電池。他們從菠菜中分離出能夠捕捉光的蛋白質(zhì)，并且把它們放入兩層導電材料之間。當有光照射到這個微型裝置的時候，電流就出現(xiàn)了。

但是，這些蛋白質(zhì)分子非常脆弱，當其被從天然環(huán)境中移走之后，常常無法繼續(xù)工作。所以科學家把它們混合在一種叫做縮氨酸表面活性劑的很像肥皂的分子中。這些保護分子在這些出現(xiàn)能量的蛋白質(zhì)周圍形成一層保護膜，使其就像仍在植物環(huán)境之中。

蛋白質(zhì)被放置在薄薄的金片上，附上一層導電的金屬，頂層是導電的有機材料。當光照射在這個“假三明治”上，蛋白質(zhì)就會釋放電子，傳到下一層的金屬層形成電流。

專注于太陽能開發(fā)的美國加州理工學院的劉易斯教授指出，“我們希望設計出與綠葉光合用途盡可能相似的過程。”言下之意，就是要實現(xiàn)收集太陽光的功能，但其結(jié)構(gòu)又要盡量簡化。

2006年，澳大利亞悉尼大學的馬克斯。克魯斯雷教授科研組制造出了一個形狀像足球的合成葉綠素分子，是一個由碳、氫、氮合成的高度分岔的納米聚合體。粘附其上的是人工合成的色素卟啉（促成葉綠素進行光合用途必不可少的元素，位于鎂離子的中心）。利用合成葉綠素，克魯斯雷和他的科研組建造一個有機太陽能電池的雛形。希望最終能制造出比現(xiàn)有太陽能電池更加有效的電池。因為綠葉能有效地將30%－40%的光能轉(zhuǎn)變成電能。

克魯斯雷說：“我們已經(jīng)擁有了模仿光電設備或太陽能電池的重要成分。從長遠來看，我們必須設法生產(chǎn)出一種能像薄薄的一層油漆那樣，簡單地涂抹在屋頂上的東西。”他表示，科研組還希望能制造出存儲裝置，用來代替以金屬為基礎的電池。

實際上，真正的葉綠素太陽能電池，因為“人造綠葉”的難度，目前仍處于研究階段，但模仿光合用途原理的電池已經(jīng)制造出來，這就是染料敏化電池。自從1991年瑞士洛桑高工（EpFL）M.Gratzel（邁克爾·格蘭澤爾）教授領(lǐng)導的研究小組在該技術(shù)上取得突破以來，歐、美、日等發(fā)達國家已投入大量資金研發(fā)。

上海大學材料學院研究人員楊偉光表示，染料敏化電池是用敏化劑類人工合成染料代替了植物中的葉綠素。目前，英國G24Innovations公司已經(jīng)具備30兆瓦的生產(chǎn)量力，并生產(chǎn)和出售電池組件產(chǎn)品，轉(zhuǎn)化效率在6%以上。另有瑞士Solaronix、以色列3Gsolar等公司專門生產(chǎn)和出售染料敏化太陽能電池原料，如染料、漿料、電解質(zhì)、電極材料等。楊偉光說，目前染料敏化電池組件最高效率達10%左右。這個記錄是日本夏普公司創(chuàng)造的。“但只在研發(fā)階段，沒有商業(yè)產(chǎn)品。”

國內(nèi)染料敏化電池的研制和產(chǎn)業(yè)化也有起步。據(jù)楊偉光介紹，目前除了高校和科研院所的研發(fā)，彩虹集團技術(shù)中心（北京）是目前國內(nèi)唯一一家染料敏化電池的公司研發(fā)中心。而在產(chǎn)業(yè)化方面，2009年特種國營漢光機械廠（邯鄲）與我國科學院化學所合作總投資1.5億元，進行全國首個“染料敏化太陽能電池”產(chǎn)業(yè)化項目，但至今仍無產(chǎn)品出售。另有報道稱，2011年十一月十九日，國內(nèi)首個新型染料敏化太陽能電池項目已在青島高新區(qū)膠州灣北部園區(qū)投產(chǎn)。