希望之光

地球生命的能量來源是太陽光，但沒有任何生物可以依賴純粹的光能生存，它們需要一座橋樑先讓光能轉變成物質，物質再經代謝過程釋放出生物可以使用的能量形式，這一座橋樑就是藍綠菌、藻類與植物進行的光合作用。在這個迫切需要開發能源的時代，我們能從這些擁有數十億年擷取太陽能經驗的老師傅身上學到些什麼呢？

請先看這則報導：

「由交通大學應化系 刁維光 教授、中興大學化學系 葉鎮宇 教授與瑞士洛桑聯邦理工學院Grätzel教授共同組成的研究團隊，日前成功提高染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)的光電轉換效率，以紫質(porphyrin)分子取代釕金屬錯合物作為關鍵材料，突破釕金屬錯合物20年來光電轉換效率始終停滯在10-11%的困境，該研究成果已於今年11月4日 發表於《Science》，此為全球替代能源發展的重要里程碑。」

「刁維光表示，他們的研究捨棄高成本且有環境汙染問題的釕金屬錯合物，改以紫質分子作為光敏染料太陽能電池的主要材質。紫質是一種人工葉綠素，它在太陽能電池元件中所扮演的角色，類似於葉綠素分子在光合作用中所扮演的角色，可以有效吸收太陽輻射能中可見光及近紅外光部分，再將光能轉換為電能(也就是蓄積了高位能的電子群)。葉鎮宇則表示，他們在上百種化合物中發現利用鋅與這些分子合成出紫質染料當成人工葉綠素，可以克服過去材料分子堆疊不利功率轉換的缺點，光電轉換效率高達13.1％，為目前全世界最高。」

從上面的報導中大家應該可以讀出一個重點：有一些東西經過改良之後，可以更容易吸收光能，然後以提升電子位能的方式將最初的光能儲存起來；這很類似馬達將電能轉移到水塔中的水所蘊含的位能。這裡面涉及一個關鍵概念：光電效應。光電效應雖然是由德國物理學家赫茲發現的現象；指的是物質吸收光子並激發出自由電子的行為，但卻是由愛因斯坦做出了正確的解釋還因此拿到諾貝爾物理獎，愛因斯坦認為光必定是由與頻率密切相關的能量單位所組成，現在我們稱這種能量單位為光子或光量子。大家都知道，原子外圍帶負電荷的電子群，通常會緊緊被中心原子核的正電荷群(質子)牽引著很難逃脫束縛，但如果有適當的能量被特定的電子吸收，這個電子就得以脫離原子核的束縛成為自由電子直到被某種東西抓住，例如電池。

不幸的是(從能量需求的角度而言，若是生物絕對是感到慶幸)，要讓一般原子內的電子脫離原子核束縛的能量並不小，以光能來說就必須是能量較強的紫外線、X光等，問題是這些高能輻射早在進入地表前就被地磁或高層大氣給排除了，少有機會成為人們所需激發電子的能量來源。如果有種東西只要吸收可見光就能激發電子那該有多好？於是葉綠素(見下圖)登場了；每一年我都會跟學生講，好好研究葉綠素吧，如果你想拿諾貝爾獎的話。葉綠素就是能吸收能量較低的可見光，達成激發電子的目的，最終將光能以化學能(澱粉)的方式儲存起來。

 

我們能從葉綠素上學到哪些東西？為何葉綠素只吸收可見光就能激發出自由電子？是什麼原因降低了葉綠素分子內電子游離出去的能量？金屬鎂在這個激發電子的過程中是否扮演角色？要如何提升改造葉綠素的穩定度？葉綠體在傳遞與儲存光能的過程中能給我們在未來研發電池上什麼啟示？

下面圖解幾張相關內容。

 

葉綠素吸收可見光的波長範圍。
 

 

 

紫質，葉綠素吸收光能的主要結構

 

這就是論文中作者改良葉綠素之後的產物。中心原子由鎂變成鋅。