这种细菌可以在阴天为太阳能电池板提供动力

太阳能有很多优点。它可以帮助世界摆脱对化石燃料的依赖，它清洁、储量丰富，并且不会留下碳足迹。但它需要阳光才能工作，因此在阴天多的地方不太实用。一种利用染料将光转化为能量的转基因细菌最终可能会改变这一现状。不列颠哥伦比亚省（这里经常阴天）的科学家利用大肠杆菌制造出了一种廉价、可持续的太阳能电池，创造了一种“生物”太阳能电池，之所以这样命名是因为它是由活生物体制成的。他们制造的并不是第一个实验性的生物太阳能电池，但它与其他电池不同，他们说，它能产生更强大的电流。此外，它在昏暗的光线下和明亮的光线下都能很好地工作。任何可以被光“激发”或充分激发以释放电子的材料都可以用于太阳能电池来发电。在生物太阳能电池中，与使用晶体硅产生电子的传统或无机太阳能电池相比，被光“激发”的物质是生物的——在这种情况下是染料。

不列颠哥伦比亚大学化学与生物工程系教授 Vikramaditya Yadav 表示：“不列颠哥伦比亚省立志成为世界领先的脱碳经济体之一。可靠的清洁能源生产和供应是实现这一目标的关键，而太阳能是能源行业脱碳的首选。然而，不列颠哥伦比亚省冬季天空通常阴沉，这对用于利用太阳能的光伏材料提出了独特的要求。”

他说，他们的解决方案成本低廉，最终“可以达到与传统光伏电池相当的效率”。即使这些电池的强度不如传统电池，研究人员相信它们可以在某些低光照环境中发挥重要作用，例如矿井或深海勘探。

“我们相信生物太阳能电池将成为无机太阳能电池技术的有益补充，”亚达夫说。“即使还处于起步阶段，这项技术也已经催生出了一些有前景的应用。探索矿井等低光环境需要使用能够由生物电池供电的传感器，比如我们开发的这种传感器。”

此前，人们尝试制造生物太阳能电池的重点是提取细菌用于光合作用的天然染料。这是一个昂贵而复杂的过程，需要使用有毒物质，而且实际上可能会损害染料。加拿大研究人员决定尝试一些不同的方法。他们将染料留在细菌中，并对生物体进行改造，诱导其产生大量的番茄红素，番茄红素是西红柿和其他红色水果中发现的染料。

然后，他们用一种充当半导体的矿物质覆盖细菌，并将混合物涂在玻璃表面。电池一端的涂层玻璃充当阳极——传统电流流过的电极——它们产生的电流密度远远高于该领域其他人所达到的水平。（0.686 毫安/平方厘米，而其他人为 0.362 毫安/平方厘米。）这项研究发表在《Small》杂志上。

使用感光颜料并不是一个新概念，但过去曾遇到过障碍。1988 年，瑞士科学家 Michael Grätzel 使用感光颜料开发了一种名为染料敏化太阳能电池（DSSC）的太阳能电池。

Yadav 表示：“大多数 DSSC 都存在一些明显的局限性。从天然来源提取染料需要使用有毒溶剂和能源，而且染料对光的敏感性会导致染料在被引入太阳能电池之前就发生严重降解。我们的研发直接解决了这些局限性，并致力于使太阳能电池制造（尤其是在弱光环境下使用）更加经济实惠。”

然而，它还没有完全准备好迎接黄金时段。细菌会在这个过程中死亡，因此找到让它们存活的方法将使电池的生产效率更高，因为细菌可以无限期地生产染料。此外，他们还计划对电池进行微调，使它们更接近于提供与传统太阳能电池相同的功率。

“我们的发明是第一代原型，需要进行重大改进才能达到硅太阳能电池的水平，硅太阳能电池可以提供大约 25 倍于细菌太阳能电池的电流密度，”亚达夫说。“我们不认为我们的技术是传统太阳能电池的竞争对手。至少现在还不是。”

就像很多科学发现一样，这次发现纯属偶然。“我们开展这项研究的初衷是开发细菌‘微型工厂’，以生产大量番茄红素和其他类胡萝卜素分子，用作保健食品，”亚达夫说，他指的是添加到食品中以增强其健康益处的物质。“然而，我们的团队在储存新鲜生产的番茄红素方面遇到了挑战。”

番茄红素在透明玻璃瓶中储存时会迅速降解，因此他们改用不透明玻璃瓶。但看到番茄红素在光照下降解，这引发了更多科学问题，也带来了新的探索途径。“在化学中，降解通常意味着电子的释放，我们想知道：电子释放的速度是否足够高，以产生可测量的电流？”亚达夫说。

“小组中的一名学生看到透明瓶中的番茄红素发生的变化后惊呼道：‘真的吗？番茄红素在光照下会如此轻易地降解？你能想象如果我们把它放入太阳能电池中会怎么样吗？’这个问题让我们对开发染料敏化太阳能电池产生了兴趣，”Yadav 回忆道。“决定直接使用带有 [矿物] 涂层的细菌是一场赌博，但最终获得了成功。Serendipity 是科学家的伟大盟友，我们非常感谢 serendipity 和那些好奇的学生，他们问的是‘为什么不？’而不是‘为什么？’”

玛琳·西蒙斯为 Nexus Media 撰稿，这是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合通讯社。