科学家用量子物理结合光合作用,生成高效光电池

加州大学河滨分校(University of California Riverside)的一名助理教授利用光合作用与物理学方法极大提高了太阳电池效率,这是一项重大发现。这项成果最近已经发表在了《纳米快报》(Nano Letters)上。

科学家用量子物理结合光合作用,生成高效光电池

科学家用量子物理结合光合作用,生成高效光电池

内森·伽柏(Nathan Gabor)的研究重点是实验凝聚态物理,并利用光来探测量子力学的基本规律。2010年的一天,伽柏突然想到一个问题:植物为什么是绿色的?于是他对光合作用产生了兴趣,并且他很快发现,没有人真正对该问题做出解释。

为了解决这一问题,在过去6年里,伽柏带着他的物理学背景深入到生物学领域。

同时,他开始反思太阳能转换效率的问题:能否制造一种材料,可以更高效地吸收太阳的波动能量?

植物无疑是太阳能转化高手。据伽柏介绍,目前的太阳电池,性能最好的不过20%的转化效率,它们在太阳能量发生突变时表现很差。这样很多能量就浪费掉了,太阳电池难以作为主要能源的局限也在于此。

为此,伽柏和UCR一些物理学家设计了量子热机光电池来解决这一问题。该设计采用热动力电池吸收来自太阳的光子,然后将光子的能量转化为电能。这种光电池可以控制电池内部的能量流。

目前用于屋顶和农场的传统光电技术需要用电压转换器和反馈控制器来抑制太阳能的波动,这极大限制了太阳能电池的整体转化效率。但令研究人员意想不到的是,量子热机光电池无需正反馈或者自适应控制机制就能控制太阳能的转换。这很令人惊艳。

科学家用量子物理结合光合作用,生成高效光电池

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内森·伽柏所在的量子材料光电实验室。他们用红外激光光谱技术来研究量子光电池的自然调控机制。

UCR团队想让光电池尽可能匹配平均能量需求,并且通过抑制能量波动来避免太阳电池的能量冗余,最终设计出最简单的太阳电池。

研究人员对比了两种最简单的量子光电池:一种只吸收单色光,另一种吸收双色光。结果发现,双光子通道可以使光电池自动调节能量流。

这是因为对于双光子通道的光电池,其中一个通道吸收较高功率的光波,而另一通道则吸收较低功率的光波。光电池通过在高功率与低功率间转换来稳定输出太阳能。

伽柏团队用这些简单模型测量地表太阳能光谱时,发现绿光在单位波长太阳能谱中的功率最高。绿光无益于能量流的调节,应当被过滤掉。为了减少太阳能的波动,他们系统地优化了太阳电池的参数,并且发现太阳电池的吸收光谱与绿色植物的吸收光谱几乎相同。

研究人员认为,量子热机光电池的能量自发调控机制或许就是植物光合作用的关键,它也有可能对植物在地球的生存优势做出解释。

冗余能量在植物细胞内积累可以杀死植物。最近有研究人员发现,叶绿素A和叶绿素B等分子机构可能是植物避免能量冗余的关键。UCR研究人员发现量子热机光电池的分子结构与光合作用植物的两种叶绿素结构很类似。

伽柏和团队提出的假说第一次将量子结构和绿色植物联系起来,并且为验证自发调控的研究人员提供了明确的测试方案。同样重要的是,由于光电池的量子结构,他们的设计无需正反馈。

伽柏发表的论文标题为”Natural Regulation of Energy Flow in a Green Quantum Photocell。”

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