破解藍綠藻光合作用之謎,用以提升太陽能電池效率

作者 | 發布日期 2018 年 05 月 27 日 0:00 | 分類 太陽能 , 能源科技 , 自然科學 follow us in feedly

與植物光合作用效率相比,人造太陽能設備僅能轉換少少的太陽光,且轉換效率慢、機器又笨重,因此科學家想要找出植物光合作用高效之謎,或許可進一步提升太陽能電池性能。



葉綠素等色素(pigments)是植物光合作用效率高的功臣,當光照射到葉綠體時,其中電子會被一系列色素單向傳遞與激發,最後將二氧化碳、水或是硫化氫轉化成碳水化合物。而有別於植物的單向路徑,人工太陽能電池由於很容易將電子反彈,進而失去能量並降低效率。

研究 2017 年發表於《美國國家科學院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences)》,認為色素的單向路徑是植物光合作用高效祕方。雖然類似研究已在 1992 年提出,但在此之前都沒有被證實。

為了更了解光合作用過程與其複雜反應,美國喬治亞州立大學物理與天文系生質學家 Gary Hastings 團隊利用紅外光譜分析紅外光與物質如何相互作用,並獲得美國能源局基礎能源部門 40 萬美元資助,希望可以提升人工太陽能電池效率與打造更簡單的太陽光捕獲系統。

團隊研究對象並非一般綠葉植物,而是藍綠藻的分支集胞藻(Synechocystis),研究發現只要將集胞藻中的葉綠醌色素嵌入蛋白質中,其相互作用便會產生特殊性質,而研究希望能用其他色素代替葉綠醌,藉由不同結構色素改變光合作用系統。

團隊透過雷射讓集胞藻行光合作用,並用紅外光追蹤電子轉移引起的色素分子鍵和周圍蛋白質變化,這些資料讓團隊得以改良色素─蛋白質系統,並控制電子的移動速度。Hastings 表示,純化植物材料過程相當複雜,比起植物細胞,對藍綠藻進行基因修飾(genetically engineer)更為簡單。

Hastings 指出,團隊的研究可指引太陽能電池新方向,像是全新的太陽能製氫方式;且電子轉移、色素和蛋白質關係等知識也可以應用到其他領域,因為這些都是生物化學的核心。

而除了用於提升太陽能設備效率,團隊也致力於研究如何將該藻類用於其他用途,例如製成生物燃料,藻類細胞生長時會產生脂類(lipids),可從細胞中萃取脂類並轉化為柴油燃料。

Hastings 表示,未來該研究也或許能用於檢測藻華,避免越來越多水池優養化與污染。藻類大量堆積可能會導致飲用水污染、藻類毒素透過食物鏈影響人體健康,而團隊目標是使用光譜檢測藻華並預測其是否會再次大量生長。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:pixabay