太阳每天向地球倾泻成万倍于人类活动所需的能量，人们需要解决如何廉价地开发太阳能的问题。而自然界则不存在这个问题。“太阳能电池”就长在树上，绿叶的光合作用把太阳光转化为化学能，几乎为一切自然生态系统提供着能源。的确，人们可以从植物得到启迪：如何充分利用太阳光。

差不多所有商品太阳能电池均系由无定形硅制成，问题在于硅的加工费用很大，而且这种电池转换效率不是很高，一般仅能转化13~16%的日光为电能。因此，使用不可再生的矿物燃料依然不失为比较切合实际的获取能量之途。

但如果能廉价地大批量生产太阳能电池，经济性就可能提高。“今天的工业”、在佩顿的荷兰能源研究基金会的太阳能集团的负责人W • 新克说，“不打算再去勉强争取1%或2%的效率。”即使是低效电池，只要能大批生产，单价就可降低，人们就会使用它。

毕竟这是自然界的策略：尽管捕集太阳能量的植物细胞中的细胞器叶绿体的效率小于1%，却几乎无关大局，因为地球上到处不乏绿色的森林和草地。

因此在探索低成本的太阳能电池时，研究工作者摒弃了硅，而采用能模拟光合作用的、更奇特的物质。例如，就在数月以前，化学工作者宣布了在开发太阳能电池方面的进展，这种太阳能电池由染料和白色涂料中的颜料组成。用这种奇特的混合染料，收集日光的效率恰与硅不扣上下。

不用数月，瑞士斯威奇钟表公司将开始出售在玻璃盖内装有这种电池的太阳能手表：电池很薄，因而是透明的，尽管用了这种电池，表面依然清晰可见。循此思路扩大该技术使用范围，最终或许能把房屋和办公大楼的窗户换成价廉的、透明的太阳能电池。

值得一提的是由美国科研人员研制的微型太阳能分子“机械”。它能更近似地模拟光合作用，它是由人工膜片组装而成，膜片里埋入一些分子，它们能把日光转变为化学能，而不是转变为电能。这种机械尚处于开发的初级阶段，但科研人员用这种方法模拟光合作用，在制造人造叶方而进展颇为顺利。

大多数太阳能电池均根据同一原理：日光的光子使某些物质中的电子加速，进入流动状态。一旦电子成为流动电子，即可被用来产生能量。

然而这个简单机制却存在着一个问题。由于电子带负电荷，它会留下正电荷。相反的电荷会互相吸引，因而它们往往会重新结合，放出热量或重新放出光来，浪费掉所吸收的能量。一切太阳能电池必须设法克服这一难题。在这一点上，如今商用太阳能电池与绿叶之间存在着重要的差别。

把电子引开

硅太阳能电池的设计者纯粹用强力克服光电转换这个难题。他们在硅中造成一个电场，把带负电荷的电子与正电荷分开。

但叶绿体却采取一种更微妙的光电转换方法：让产生电子的单元与输送电子的单元各司其职，从而把两种电荷分开。把叶绿体内的光合装置埋置在膜片中，让电子迅速地从一个分子转移到另一个分子，使其逐渐远离其出发点——使其穿过膜片而不致与正电荷重新结合。在膜片的另一边，其能量以富能分子三磷酸腺甙（ATP）——供应人体许多反应能量的化学燃料的形式储存起来。

因此，在洛桑的瑞士联邦技术研究院的科研人员M • 格雷其尔等决定根据绿叶光电转换的原理模拟叶绿体单元结构，把它与半导体结合起来制取太阳能电池，这样的电池不但效率高，制造费用还低。

新型太阳能电池不是采用硅吸收日光，而是依靠含有能吸收可见光的钌离子的染料分子。把这种染料涂覆在二氧化钛半导体的超微晶体上，这里就是白色涂料起作用之处——显示白色的颜料只不过是微细的二氧化钛颗粒悬浮体。

超微晶体不光是承载染料，它还把光激电子迅速带走。二氧化钛正好具有这样的电子学特性，它能把电子从钌染料中分离，使之进入电路。

为制造一个完整的太阳能电池，格雷其尔把10毫米厚的涂有染料的超微晶体膜片封接在两个透明电极之间，把超微晶体堆积起来，组成极为疏松的膜片，小空间里有大的吸收表面积一对捕集光最为理想。仅数毫米厚的膜片含有数以百计的染料层，因此通过它的光子差不多可全部被吸收。

他们在超微晶体间的空间灌以含碘离子的电解质溶液，碘离子可补充从染料中激发出的电子，连接通过回路的两个电极，把光照射到电池上，转眼间就可产生电流。

早在1991年，瑞士研究组制造的实验性电池的效率至少与无定形硅电池相似，可把10~15%的光转化为电。这种电池可产生750毫伏左右的电压，每平方米100瓦左右的输出功率。

使用二氧化钛的主要好处在于它非常便宜。10克左右就足以制成1平方米的膜片，成本仅约1美分。格雷其尔估计，这种电池成本仅为硅电池的五分之一。

无怪乎产业界对此十分关注。瑞士、奥地利和日本有八家公司拟将该技术产业化，有两家公司准备开始生产10平方厘米的光电瓦。

透明电池

格雷其尔开发的太阳能电池中的钌染料能强烈地吸收可见光中的红光和绿光。这与斯威奇手表的玻璃电池没有什么关系，因为电池十分薄，所以依然是透明的。但高功率的大电池需要厚的涂染料的超微晶体膜片，它们吸收光线更强，所以这种电池是不透明的。

目前，格雷其尔和他的同事们正在与约翰逊 • 马赛化学制品公司合作，寻求能吸收太阳光谱的红外部分的光的染料。如用这种染料代替钌染料，即使极大的电池也将是透明的。首先，它们可以叠起来作窗户。如果这一方案能成功，则办公室的窗户将可让可见光通过，而又充分吸收不可见光而供电。格雷其尔估计，这种电池的能量转换效率可能达10%。

但仍有一个问题有待解决，电池内用液态电解质很不理想。它要求可靠的防水密封——一旦泄漏就会失效。格雷其尔一直在探索如何使他的电池能像硅电池那样牢固，但收效甚微。

然而在10月份，格雷其尔宣布有了突破，他与法兰克福的霍伊希特科技研究院和美因茨的马克斯-普朗克聚合物研究院的同行们一起，制成了一种采用称作OMeTAD的有机固体的电池，这种有机固体起到了原先电池中液态电解质的类似作用。迄今这种固态电池的效率小于1%，不过新克认为，“对于有机电池来说，这已经算很高了”。这种电池产生的电压低——约1/3伏——对于大多数要求较高电压的用途来说，无疑也是一个巨大障碍。但新克确信这种电池颇有前途，主要是因为它制造成本低廉。

同样是模仿光合作用的诀窍，亚利桑那州立大学的T • 穆尔和他的同事们正在更彻底地模拟自然界：用“生物学"电池，而不是用电化学电池来捕获太阳能。按照一项雄心勃勃的计划，他们正在应用称作脂质体的人造电池结构作为捕集光的装置。

叶绿体不会把日光转变为电流，它们只是把电子从膜的一边转移到另一边——这一过程最终被用来制取化学物质。人工模拟体系将是一种十分有用的技能：可以设想这样的化学制品厂，譬如说，其反应不是由火焰的热量所引发，而是直接由日光的能量来引发。这就是穆尔研究所追求的目标。

“人们喜欢这样想”，穆尔说，“格雷其尔的电池产生电动势（EMF），这恰恰是宏观世界的电动机和电子仪器运转所需要的。”但在叶绿体内，电子的转移产生不同的结果，“它产生电化学势。”他解释道，这种电化学势会驱动活细胞的微马达和其他装置。

在叶绿体中，电子在复杂的膜结构内转移。这种膜是由一群磷脂分子——带有水溶性的端部基团和不溶尾部的“蝌蚪”分子组成的。在水中，磷脂自发组成称作脂质体的中空球形膜，由不溶尾巴的避开水的倾向所驱动。

人工电池

这种脂质体能提供穆尔的人工叶绿体结构。它们与真实电池的大小大致相同——直径约1微米。穆尔把一些分子埋入用来实现叶绿体的某些功能的脂质体膜内。

这种电池的核心是一个以化学键相连、由三个分子组成的超分子。其中一个分子为善于吸收日光光子的卟啉分子（P）。当受到光的激发时，卟啉分子把一个电子传递给第二个分子——苯醌分子（Q）——然而后者又把电子传递给能在磷脂膜内自由移动的载体分子（Qs）。为了保持电中性，载体分子从脂质体周围攫取带正电荷的氢离子，并扩散穿过薄膜。当其到达膜的另一边时，它把电子传递回超分子的第三个分子（C），并释放氢离子进入脂质体内部。

这样便有效地把电子引导开，避免了电子与正电荷重新结合。当光线照射到脂质体上时，其内部的氢离子浓度就会升高，形成跨越薄膜的电化学势。

脂质体内部过剩的氢离子浓度会形成“质子动势”（PMF）——也不妨称为质子动力。穆尔说：“质子动势原则上能驱动活细胞的一切反应和过程。”

去年，穆尔和他的同事们证明了脂质体能产生PMF。在今年3月份，他们加了一个能利用PMF作动力驱动化学反应的关键组分，从而可把日光用于化学合成。他们在脂质体膜里加进了ATP合成酶。在自然界，ATP合成酶能借在磷酸基团上定位把二磷酸腺甙（ADP）转变成ATP。严格地说，ATP合成酶系为质子流所驱动，跟水车为水所驱动十分相似。ATP合成酶处于一边有过剩氢离子的膜内，其作用就像是氢离子的导管。当氢离子流过薄膜，就释放出能量制造ATP。

穆尔发现，膜内部氢离子的高浓度为膜结合的酶对ADP起作用提供了驱动力。结果，就像光合作用—样，由日光得到了ATP。

不过，制造ATP只是第一步、另一个重要的能量存储器是辅酶——还原型辅酶Ⅱ（NADPH）。它跟ATP—样，能为许多生化反应提供能亚利桑那研究组与瑞典迦尔默斯大学的J • 赖德斯屈姆合作，正在追求的下一个目标便是制造NADPH。“我们希望在不久的将来能证明可用PMF驱动生产NADPH”，穆尔说。

这将是向人造叶跨进的一大步。但穆尔和他的同事们认为，这种人造电池还将改变化学家的工作方式。他们认为，将来人造叶可为各种各样的化学反应提供太阳能能源。

正像人体利用ATP分子制造激素、酶和许多其他生命分子一样，由日光取得化学能的天然源泉可为化学工作者提供宝贵的能源。譬如，或许可为制造药物提供能源。那么，如何借把水分解为氢和氧，产生清洁的燃料，或如何使有机工业废料降解为无害分子？均可由真实绿叶得到启迪，这一类化学处理过程将会成为真正符合环保要求的过程。

 [New Scientist，1999年1月23日]