叶绿素电池

科学家们开始尝试利用光合作用原理研制电池。比如将植物里的叶绿素提取出来，放到人工制备的膜里，光照时就会产生电。

2004年，有报道指出美国科学家已利用菠菜提取的蛋白质造出了叶绿素电池。他们从菠菜中分离出能够捕捉光的蛋白质，并且把它们放入两层导电材料之间。当有光照射到这个微型装置的时候，电流就产生了。

但是，这些蛋白质分子非常脆弱，当其被从天然环境中移走之后，常常无法继续工作。所以科学家把它们混合在一种叫做缩氨酸表面活性剂的分子中。这些保护分子在这些产生能量的蛋白质周围形成一层保护膜，使其就像仍在植物环境之中。

蛋白质被放置在薄薄的金片上，附上一层导电的金属，顶层是导电的有机材料。当光照射在其上，蛋白质就会释放电子，传导到下一层的金属层形成电流。

美国加州理工学院的刘易斯教授指出，"我们希望设计出与绿叶光合作用尽可能相似的过程。"言下之意，就是要实现收集太阳光的功能，但其结构又要尽量简化。

2006年澳大利亚悉尼大学的马克斯·克鲁斯雷教授领导的分子电子学科研组提出，模仿植物中的叶绿素创造的合成分子，有可能研制出高效的太阳能电池。叶子利用体内排列密集的叶绿素分子将光能转变成电能，然后再将电能转变成化学能。目前，科研组己制造出叶绿素的合成形式，它能将光能转化成电能。

克鲁斯雷称其团队已经拥有了模仿光电设备或太阳能电池的主要成分。他表示，科研组还希望能制造出存储装置，用来代替以金属为基础的电池。

实际上，真正的叶绿素太阳能电池，因为技术难度，目前仍处于研究阶段，但模仿光合作用原理的电池或说光电转化装置已经制造出来，这就是染料敏化电池。自从1991年瑞士M. Gratzel教授领导的研究小组在该技术上取得突破以来，欧、美、日等发达国家已投入大量资金研发。

一种新型的叶绿素光电转化装置利用对光反应中电子传递过程的"提取"及应用，从而实现光能到电能的转化。该装置具体的工作原理和理论依据如下:

光合作用光反应过程中，光可以被光反应中心周围的天线色素分子吸收，汇集到反应中心，使色素P由基态提高到激发态P*，通常吸收一个光子可以使一个电子的能量提高1V，因此P*是强还原剂，有很强的提供电子的能力。当把电子供给适当的受体后，缺失电子的P*是一个强氧化剂，极易得电子。被激发的电子沿着类囊体膜中一系列电子传递体转移，组成光合链(如右图)，而该装置正是利用了该过程中电子的转移从而获得生物电流。

光合链中能量变化有两次起落，涉及两个光合系统，可分成两个阶段:

第一阶段: 光刺激P680或激发态P680*仅用几微微秒的时间P680*的电子传给脱镁叶绿素(Phephytin Ph)这是一个Mg被H取代的叶绿素a，反应中心变成正游离基P680+。光合系统ⅡP680+是强氧化剂，通过中间物Z从水中抽出电子，传给质体醌(Plastoquinone, 缩写QH2)。H2O和质醌的标准氧化还原电势分别为0.82V及0.1V，它们的电势差为十0.72V。电子之所以能逆流而上，是因为光系统Ⅱ吸光能使680nm光照下电子具有1.82V，足够克服0.72V的电势能障碍。Mn将电子从水中抽出，在形成O2的过程中起着关键的作用。质体醌类似于泛醌，可接受氢成还原型。 电子从脱镁叶绿素到质体醌有两个中间受体QA和QB,电子先传递到QA再到QB再从QB传递到质体醌。QA和QB是两种结合有质体醌的蛋白质。 QH2提供电子给细胞色素bf。细胞色素bf复合物具有4个亚基;34000细胞色素f，23000细胞色素b563，它具有二个血色素，由分子量为20,000的FeS蛋白和分子量为17,000多肽链组成。其作用与生物氧化中的细胞色素b类似，起到质子泵的作用。

细胞色素bf催化电子从QH2到质蓝素(plasto cynin 缩写为PC)

QH2十2PC(Cu)--→Q十2PC(Cu)十2H，与此同时将质子泵入类囊体膜内。细胞色素bf中的铁硫蛋白参加质蓝素的还原作用，在电子传递同时驱动基质中的质子泵入膜内。质蓝素是一个分子量为11000的水溶性蛋白质，它的氧化还原中心有Cu2+，它与蛋白质中的半胱氨酸、甲硫氨酸和两个组氨酸残基螯合，造成二价铜乎面的几何形状扭变，使铜易于转变成氧化态从+1价升至+2价。总之，在第一阶段中，光合系统 Ⅱ从水得到电子产生氧，并通过细胞色素bf产生质子梯度和还原质蓝素。

第二阶段:

光合系统I像光合系统II一样，经光诱发成激发态，并使一个电子从P700*射出，激发态的反应中心变成P700+。P700+是弱氧化剂，它从还原的质蓝素捕获电子变成P700，可再一次激发出电子。受体A0接受P700*发出的电子成为A0-，它是十分强的还原剂E=-1.1V。高势能的电子从A0-转移至A，然后转至铁硫中心Fe-S，再至铁氧还蛋白(Ferredoxin，缩写为Fd)。电子从铁氧还蛋白通过铁氧还蛋白-NADP+还原酶(feerrdoxin-NADP+ redutase)传至NADP+形成NADPH，因为铁氧还蛋白一NADP+还原酶以FAD为辅基，所以整个光反应是在膜与基质的界面上进行，因此将质子摄入形成NADPH，使跨类囊膜的质子梯度进一步升高。

目前，该种叶绿素光电转化装置仅处于理论设计阶段，且该种装置的缺陷在于无法准确地控制电子转移的速率以及无法保证叶绿素离开活体后的长久活性，其可靠性需要进一步验证。

为了有效地收集太阳能，人们尝试了各种方法，比如开发大面积、高效、低成本的太阳能电池。目前已有产业化的晶体硅(单晶硅、多晶硅)太阳能电池，部分投产的薄膜电池(非晶/微晶硅硅基薄膜、碲化镉和铜铟镓硒)，以及主要处于研究中的染料敏化电池、有机薄膜电池等。