人類社會正面臨著煤炭、石油、天然氣等能源枯竭的危機。為此，近20多年來，我國政府高度重視能源資源的保護與開發(fā)利用，科學家們也在加速尋找取之不盡用之不竭的可再生能源，來解決不可再生能源的嚴重不足，切實保障經濟和社會發(fā)展需要。
生物光伏(BPV)利用微生物(如藍藻)作為光電轉換材料，具有碳中性﹑良好的環(huán)境相容性和潛在低成本等特點。據(jù)媒體近日報道，為了提高BPV光電轉化效率，中科院微生物所李寅研究組另辟蹊徑，設計并創(chuàng)建了一個具有定向電子流的合成微生物組，來解決藍藻直接產電活性微弱的問題，有望成為環(huán)境更加友好的新一代太陽能發(fā)電技術。
該研究成果引起了全球業(yè)界的高度關注。那么，傳統(tǒng)光伏發(fā)電的主要原理是什么，又會產生哪些負面問題? 除了光電轉化效率，評價光伏發(fā)電效能和環(huán)保性能的指標還有哪些? 生物光伏的發(fā)電原理是什么，其生物光伏技術還存在那些問題?新技術又到底有著哪些創(chuàng)新之處?
傳統(tǒng)光伏發(fā)電存在時域和地域限制
業(yè)內人士告訴記者，人類在歷史進程中曾長期依賴可再生能源，如薪柴、秸稈等屬于生物質能源，這些能源大部分都來自太陽能的轉化，是可以再生的能源資源。
“傳統(tǒng)光伏發(fā)電主要利用了半導體的光伏效應。具體說，就是當光照射到半導體表面后，滿足條件的光能會被吸收從而在半導體內產生帶負電的電子和帶正電的空穴，這兩者合稱為載流子。”江南大學理學院光電信息科學與工程系副研究員席曦接受記者采訪時表示，如果我們想辦法把這些載流子導出來，就可將光能轉換成電能輸出。
席曦認為，目前，光伏發(fā)電在可再生能源領域還是具有比較大優(yōu)勢的。相對于風能而言，光伏發(fā)電的安裝可以分布到各家各戶，每一個老百姓只要有一定的場地均可以或大或小的安裝光伏發(fā)電系統(tǒng);而風能發(fā)電普通老百姓是無法安裝的。
“但是，光伏發(fā)電系統(tǒng)也存在時域和地域的限制。時域的限制主要有：光伏發(fā)電系統(tǒng)只能白天發(fā)電，晚上不能用;甚至北方有積雪覆蓋、沙塵覆蓋時，白天的發(fā)電也會受限;同時白天的光強也有很大的不確定性，時而飄過一朵云，時而被樹蔭遮擋一下，都會影響發(fā)電量，因此整個光伏發(fā)電系統(tǒng)如果并網的話，對電網的沖擊比較大，需要做好光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制和電網的調控。”席曦說。
但席曦表示，目前廣泛使用的硅基太陽能電池會產生諸如酸、堿、金屬廢水和廢氣等，雖然產品本身對環(huán)境友好，生產過程中需要對排廢做到嚴格處理和把控，其回收、分離、再利用還面臨很多環(huán)境挑戰(zhàn)。
生物光伏具有更高的轉換效率
專家們普遍認為，生物光伏相對于傳統(tǒng)光伏具有更高的轉換效率，將更加有利于環(huán)境、能源的可持續(xù)發(fā)展。
生物質能主要是指植物通過葉綠素的光合作用將太陽能轉化為化學能并貯存在生物質內部的能量。它是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第四位的能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位。
生物光伏利用光合微生物(如藍藻)作為光電轉換材料，具有碳中性、良好的環(huán)境相容性和潛在低成本等特點。但目前生物光伏發(fā)電最大的問題是，BPV系統(tǒng)的輸出功率很低，比太陽能光伏低3個數(shù)量級以上。其主要原因是藍藻等光合微生物雖然具有很高的光合效率，但產電活性很弱。在直接改造藍藻以強化其產電活性方面，至今仍沒有突破，難以走向應用。
記者了解到，李寅研究組成功合成的微生物組，由一個能夠將光能儲存在d-乳酸的工程藍藻和一個能夠高效利用d-乳酸產電的希瓦氏菌組成。在這個合成微生物組中，d-乳酸是兩種微生物間的能量載體。
李寅稱，藍藻吸收光能并固定二氧化碳來合成能量載體d-乳酸，希瓦氏菌氧化d-乳酸進行產電，由此形成一條從光子到d-乳酸再到電能的定向電子流，完成從光能到化學能再到電能的能量轉化過程。
克服兩種微生物之間生理不相容難題
記者了解到，李寅研究組的創(chuàng)新之處在于通過在遺傳、環(huán)境和裝置層面的設計、改造和優(yōu)化，他們有效克服了兩種微生物之間生理不相容的問題。由此創(chuàng)建的雙菌生物光伏系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的功率輸出，其最大功率密度比目前的單菌生物光伏系統(tǒng)普遍提高10倍以上。
據(jù)資料顯示，李寅研究組采用連續(xù)流加培養(yǎng)方式，使得該雙菌生物光伏系統(tǒng)可穩(wěn)定實現(xiàn)長達40天以上的功率輸出，且平均功率密度達到較高水平，產電時長和單裝置輸出功率均達到了目前BPV系統(tǒng)的最高水平。
尤其值得一提的是，這是國際上首次利用具有定向電子流的合成微生物組創(chuàng)建生物光伏系統(tǒng)，也是我國第一臺生物光伏原型裝置。研究表明，合成微生物組可以顯著提高BPV光電轉化效率，打破了人們對生物光伏效率和壽命難以提高的固有認識，為進一步提升BPV光電轉化效率奠定了重要基礎。
專家們認為，雖然生物光伏為太陽能利用提供了一條生物學路徑，但這是一個全新的交叉學科。應該說，生物光伏目前在我國仍處于研發(fā)階段，要真正走向規(guī)模應用，還有很長的路要走。
