加州大學河濱分校(University of California Riverside)的一名助理教授利用光合作用與物理學方法極大提高了太陽電池效率，這是一項重大發(fā)現(xiàn)。這項成果最近已經發(fā)表在了《納米快報》(Nano Letters)上。


內森·伽柏(Nathan Gabor)的研究重點是實驗凝聚態(tài)物理，并利用光來探測量子力學的基本規(guī)律。2010年的一天，伽柏突然想到一個問題：植物為什么是綠色的?于是他對光合作用產生了興趣，并且他很快發(fā)現(xiàn)，沒有人真正對該問題做出解釋。

為了解決這一問題，在過去6年里，伽柏帶著他的物理學背景深入到生物學領域。

同時，他開始反思太陽能轉換效率的問題：能否制造一種材料，可以更高效地吸收太陽的波動能量?

植物無疑是太陽能轉化高手。據伽柏介紹，目前的太陽電池，性能最好的不過20%的轉化效率，它們在太陽能量發(fā)生突變時表現(xiàn)很差。這樣很多能量就浪費掉了，太陽電池難以作為主要能源的局限也在于此。

為此，伽柏和UCR一些物理學家設計了量子熱機光電池來解決這一問題。該設計采用熱動力電池吸收來自太陽的光子，然后將光子的能量轉化為電能。這種光電池可以控制電池內部的能量流。


目前用于屋頂和農場的傳統(tǒng)光電技術需要用電壓轉換器和反饋控制器來抑制太陽能的波動，這極大限制了太陽能電池的整體轉化效率。但令研究人員意想不到的是，量子熱機光電池無需正反饋或者自適應控制機制就能控制太陽能的轉換。這很令人驚艷。

內森·伽柏所在的量子材料光電實驗室。他們用紅外激光光譜技術來研究量子光電池的自然調控機制。

UCR團隊想讓光電池盡可能匹配平均能量需求，并且通過抑制能量波動來避免太陽電池的能量冗余，最終設計出最簡單的太陽電池。

研究人員對比了兩種最簡單的量子光電池：一種只吸收單色光，另一種吸收雙色光。結果發(fā)現(xiàn)，雙光子通道可以使光電池自動調節(jié)能量流。

這是因為對于雙光子通道的光電池，其中一個通道吸收較高功率的光波，而另一通道則吸收較低功率的光波。光電池通過在高功率與低功率間轉換來穩(wěn)定輸出太陽能。

伽柏團隊用這些簡單模型測量地表太陽能光譜時，發(fā)現(xiàn)綠光在單位波長太陽能譜中的功率最高。綠光無益于能量流的調節(jié)，應當被過濾掉。為了減少太陽能的波動，他們系統(tǒng)地優(yōu)化了太陽電池的參數，并且發(fā)現(xiàn)太陽電池的吸收光譜與綠色植物的吸收光譜幾乎相同。

研究人員認為，量子熱機光電池的能量自發(fā)調控機制或許就是植物光合作用的關鍵，它也有可能對植物在地球的生存優(yōu)勢做出解釋。

冗余能量在植物細胞內積累可以殺死植物。最近有研究人員發(fā)現(xiàn)，葉綠素A和葉綠素B等分子機構可能是植物避免能量冗余的關鍵。UCR研究人員發(fā)現(xiàn)量子熱機光電池的分子結構與光合作用植物的兩種葉綠素結構很類似。

伽柏和團隊提出的假說第一次將量子結構和綠色植物聯(lián)系起來，并且為驗證自發(fā)調控的研究人員提供了明確的測試方案。同樣重要的是，由于光電池的量子結構，他們的設計無需正反饋。