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VOL:40期

向植物學習發電-更環保的新一代太陽能電池

太空冒險第一站-國際太空站高憲章

太陽的能量源源不絕,每天都會傳送到地球上,大自然的綠色植物經過數十億年來的演化,很早就能利用陽光製造自身需要的能量。科學家進行植物研究,想要了解植物怎麼吸收陽光、水和空氣,又在這個過程中扮演什麼角色。到了150年前,植物學家恩格爾曼發現,綠色植物是利用葉綠體中的葉綠素來吸收光能;數十年前,化學家卡爾文更是找出了光合作用中,二氧化碳轉換成養分的過程,也發現了光、電子與能量之間一連串迷人又複雜的化學反應,終於解開了植物光合作用的祕密。

在能源短缺的現代,科學家不停思考,我們有沒有辦法像植物一樣利用太陽光的能量呢?如果能截取光合作用過程中的電子,做為日常生活的電力來源,那就太好了!既然植物是利用葉綠素、類胡蘿蔔素等色素行光合作用,我們可以從植物體內取出色素來發電嗎?這樣的發電效率能供應人們日常生活所需嗎?

科學家們不斷嘗試,但從植物取出的葉綠素發電效率並不好,直到1991年,瑞士科學家格拉茲爾終於發明了一種新的電池,他以人工合成出一種染料分子,能夠像葉綠素一樣,接受太陽光照就能發電,經過數年的改良測試後,發電效率漸漸提升,成為新一代的電池──染料敏化太陽能電池。

經過數百年的研究、許多科學家的實驗,人類終於能像植物一樣使用太陽的能量了!

染料敏化太陽能電池
染料敏化太陽能電池就和一般電池一樣,有正極、負極和電解液。由負極放出的電子會經過電器,最後回到電池正極,內部則靠電解液來傳遞電子,形成一個回路,電池便能運作。

科學家將人工合成的染料分子放入電解液中,上下包覆外殼,做成薄薄一片,就像三明治外層土司夾住中間的流質餡料一樣。上下外殼同時擔任電池正負極的角色,使用能夠導電且透光的材質,讓陽光能穿透,照射內部的染料分子。當染料分子照光時,會像葉綠素一樣產生電子,電池便開始發電了。

電池內還特別加入了二氧化鈦,除了能吸附並固定染料分子,還能夠傳送染料放出的電子,讓電子更容易跑到電極上,電池運作的功率更好。二氧化鈦本身非常安全,常用來添加在化妝品和食品內,對人體完全無毒,而且在地球的含量不算稀少,是一種便宜的材料,大幅降低了電池的成本。