太阳能有很多优点。它有助于世界摆脱化石燃料的依赖，它清洁且丰富，且不产生碳足迹。但它需要阳光才能工作，这使得它在多阴天的地区不太实用。一种使用染料将光转化为能量的基因工程细菌最终可能会改变这一点。不列颠哥伦比亚省（那里经常阴天）的科学家们利用大肠杆菌制造了一种廉价、可持续的太阳能电池，创造了一种“生物性”太阳能电池——之所以这样命名，是因为它是由活体生物制成的。这不是第一款实验性的生物性太阳能电池，但它与其他电池不同——而且他们说，它产生的电流更强。此外，它在弱光和强光下的表现都一样好。任何能被光“激发”或充分能量化以释放电子的材料都可以用于太阳能电池发电。在生物性太阳能电池中，被光“激发”的材料是生物性的——在本例中是染料——而传统的或无机太阳能电池则使用晶体硅来产生电子。
不列颠哥伦比亚大学化学和生物工程系教授 Vikramaditya Yadav 表示：“不列颠哥伦比亚省致力于成为世界上领先的脱碳经济体之一。“可靠的清洁能源的产生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主要候选者。然而，BC省典型的阴沉的冬季天空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相当的效率”。即使这些电池的强度不如传统电池，研究人员也相信它们可以在某些低光照环境下发挥重要作用，例如矿井或深海探索。
Yadav 说：“我们相信，生物性太阳能电池将是对无机太阳能电池技术的有益补充。“即使这项技术尚处于起步阶段，它已经产生了一些有前景的应用。探索矿井等低光照环境需要使用可以由我们开发的生物性电池供电的传感器。”
先前制造生物性太阳能电池的尝试都集中在提取细菌用于光合作用的天然染料。这是一个昂贵且复杂的过程，使用了有毒材料，并且实际上会损害染料。加拿大研究人员决定尝试一些不同的方法。他们将染料保留在细菌中，并对该生物体进行调整，使其产生大量的番茄红素，这与西红柿和其他红色水果中的染料相同。
然后，他们用一种充当半导体的矿物质涂覆了细菌，并将混合物涂覆到玻璃表面。通过将电池一端的涂覆玻璃用作阳极——传统电流流过的电极——他们产生的电流密度远高于该领域其他人的水平。（每平方厘米 0.686 毫安，而其他人的为 0.362。）这项研究发表在《Small》杂志上。
使用光敏色素并非新概念，但在过去遇到过障碍。1988 年，瑞士科学家Michael Grätzel 使用光敏色素开发了一种称为染料敏化太阳能电池（DSSC）的太阳能电池。
Yadav 说：“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导致它们在被引入太阳能电池之前就会发生严重降解。我们的开发直接解决了这些局限性，并致力于使太阳能电池的制造，特别是用于低光照环境的制造，更加经济实惠。”
然而，它还没有完全准备好投入实际使用。细菌在过程中会死亡，因此找到让它们存活的方法将能更有效地制造电池，因为细菌可以无限期地生产染料。此外，他们计划对电池进行微调，使其接近传统太阳能电池的功率输出。
Yadav 说：“我们的发明是第一代原型，在达到硅太阳能电池的水平（硅太阳能电池的电流密度是基于细菌的太阳能电池的大约 25 倍）之前，还需要进行大量改进。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。”
正如科学发现常常那样，这一发现是偶然的。Yadav 说：“我们最初的动机是开发细菌‘微型工厂’，以生产大量番茄红素和其他类胡萝卜素分子，用作营养保健品。”他指的是添加到食品中以增强健康益处的物质。“然而，我们的团队在储存新生产的番茄红素时遇到了挑战。”
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的瓶子。但看到番茄红素暴露在光线下会降解，这引发了更多科学问题，并开辟了新的探索途径。“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，可以产生可测量的电流？”Yadav 说。
“小组中的一名学生看到透明瓶子里的番茄红素发生了什么，惊呼道：‘真的吗？番茄红素暴露在光线下会如此容易降解？你能想象如果我们把它装进太阳能电池里会怎样？’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。“决定直接使用涂有（矿物质）涂层的细菌是一个冒险的举动，而且得到了回报。机缘巧合是科学家的一大盟友，我们非常感谢机缘巧合以及那些问‘为什么不’而不是‘为什么’的富有好奇心的学生。”
玛琳·西蒙斯为Nexus Media撰稿，该媒体是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合新闻社。
