光伏电池和叶绿体哪个转换太阳能的效率高？ 第1页

不用最好的，普通光伏电池的效率就比叶绿体高。

叶绿体的效率：

植物、蓝菌等生物通过光合作用将太阳能转换成电势能，驱动一系列生化反应，将二氧化碳和水转化成含碳的能量载体和氧气，其化学反应过程决定了C3植物的理论极限效率约4.6%，C4植物的理论极限效率约6%，单细胞光合生物的理论极限效率约8%~13%。

现实中的光合生物受到地球运转带来的太阳照射变化、天气、植物体内的环境、细胞的承受力、自身随机发生的光呼吸等影响，植物的实际光合作用效率多在0.3%到0.5%以内，只有极少数物种能达到1%；珊瑚共生虫黄藻的光合作用效率在3%到4%，这依赖珊瑚组织和骨骼的光学特性。

• 基因工程处理光呼吸发生率、通入加压二氧化碳之类手段已经试过了，能达到的最大增幅根据植物物种而异，从未接近过理论极限，而且二氧化碳浓度不是越高越好，光合作用速率也要考虑活性氧对细胞的损害。
• 光合生物体内的温度和离子浓度受细胞的承受力限制，不能追求理论极限。
• 也可以参考化能合成生物的情况：即便是海洋化学合成生物体内极端的环境，对其化学合成效率的提升也十分有限。

光伏电池的效率：

市面上可以买到的太阳能电池的光能到电能转换效率在20%到30%，实验室里有46%到50%的品种尚未推广。已经实际建设的聚光光伏发电系统的峰值效率可以达到40%到50%。

对于现实中的太阳能设备，由于地球运转带来的太阳照射变化、天气等影响因素，平均转换效率不会维持在上述最大效率。目前，太阳能发电塔的年净太阳能发电效率为7%到20％。

你可以将光伏电池发的电转换为化学能来跟叶绿体比较。现代工业电解水装置的效率多为70%到80%，先进的工厂已经用上了效率达到88%的设备。你将太阳照射下的光伏电池发出来的电送过去电解水，就将太阳能变成化学能了。

即使你是较长距离输电来驱动电解水装置的，现代电网长距离输电的效率也在80%以上，何况你完全可以将电解水装置修在太阳能发电设备旁边，乃至做成一体化的。

统计显示，我国电网内的线路损失（含变压及转换）约4%，所以有：

光能到电能7%*长距离输电80%*电能到化学能70%=3.92%，

光能到电能7%*一般输电96%*电能到化学能70%=4.704%，

光能到电能20%*长距离输电80%*电能到化学能88%=14.08%，

光能到电能20%*一般输电96%*电能到化学能88%=16.896%，

业已商用的光伏电池的数据尚且如此，“人类最好的光伏电池”与电解水装置从太阳光能到化学能的转换效率显然远高于叶绿体。

如果读者希望用光电合成葡萄糖来和植物比较，可以看看：

这个工作还有许多改进要做，但你可以理解：人工合成葡萄糖的最大难点是葡萄糖不值钱。你搞上面这一堆过程，经济效益可能远差于“用发的电换钱、去买农民伯伯种植的甘蔗·甜菜之类制糖”。

• 2021年3月，一些美国环保人士怒斥欧洲的所谓“生态友好型经济”依赖燃烧从美国进口的木材，“燃烧木头给他们提供的发电量多于风能与太阳能的总和”。他们说，燃烧生物质排放的碳多于燃烧同等产热量的煤炭，而且“太阳能电池板的发电量，约为燃烧同面积生物质能源的发电量的100倍”。如果要让生物质多负担2%的全球能源供应量，全球木材砍伐量就要翻倍。
• 美国东南部的木材产量占世界的六分之一。美国南方目前有23家大型木材颗粒加工厂，砍伐的森林被粉碎成木屑、压成胶囊大小的颗粒、装船运往欧洲——看起来，在各种虚构概念的包装下，北美在做很传统的事情。
• 美国国会的预算法案认为，只要美国的森林资源总量稳定或还在增加，美国生物质能源产业带来的净排放量就不会超过零。为此，他们大面积种植速生林，并比造纸行业更快地轮番砍伐。从2007年到2017年，美国的森林覆盖率实际上增加了约百分之二。

在这之外，早已有多个彼此独立的研究团队制造了接受太阳光照射后立即电解水的装置，光电化学电池。这类设备将太阳光能转换为化学能的效率在二十世纪末就超过了5%，在2017年达到了16.2％，目前还不值得商用——其主要问题是稳定性不足，在2020年才达到1000小时稳定运行、最高效率14%。

在太阳能光热发电方面，市面上可以买到碟式反射镜聚光的碟式斯特林热机，效率约30%，一些装置在测试中达到过31.25%到34%的峰值效率。现实中运行的碟式斯特林热机的年平均效率为12%到25％。

• 太阳能热电联产的能量转换效率可以达到60%到70%。

此外，人们也可以用机器进行光合作用，生产出有机物而非氢燃料。目前，人工光合作用的效率难以跟光伏、光热手段竞争^[1]，市面上还没有实用的产品。

• 2020年，上海科技大学物质科学与技术学院教授林柏霖课题组通过新型电极的构造和系统工程优化，首次开发出了太阳能到化学能的能量转换效率超过20%的二氧化碳还原人工光合作用系统。林柏霖表示，通过定量系统工程分析发现，该电极如果与目前最先进的太阳能电池搭配，可以充分利用太阳能电池的光电流，预计太阳能到化学能的最高转换效率约为25%^[2]。

参考

1. ^ 即使要储存能量日后再用，好一点的电解水装置有75%到88%的效率，你把太阳能热电联产那些电力接到电解水装置上产氢都会完爆现有的人工光合作用，所以人工光合作用不达到更高效率就不值得使用。
2. ^ 相关成果于2020年8月5日在线发表于《材料化学杂志A》。https://doi.org/10.1039/D0TA06714H

最好的人造光伏电池的太阳能转换率和叶绿体光系统的太阳能转换率差不多，理论值差不多，实际上工作状态还是蓝细菌和叶绿体高一些。

有些说法认为叶绿体对光能转换效率没最好光伏电池，那是因为算得是整个叶绿体的转换率，也就是光子进入叶绿体到最后产出的三磷酸腺苷数及转化为葡萄糖的效率，而不是光系统产出氢离子的效率。

考虑到光伏电池的转换效率算得只是光伏电池产生电压的效果，没有把一个外接的化学能储能电池与光伏电池绑在一起算效率，那么比较两者应该都比相当于产生的电势的东西，而不是比最后电能被转化为化学能等其他能量储存或使用以后的效果。那么最好的光伏电池勉强能和叶绿体光系统差不多。

但是叶绿体光系统还有两个优势，第一，其是柔性的，而柔性光伏电池(不论是无机的还是有机的)的转换率目前都还是远不如传统光伏，第二，叶绿体光系统是活系统，可以根据光照强度、光集中的波长来调节色素比例，比如大部分蓝细菌和真核生物里的叶绿体呈深绿到蓝绿色，而深海里蓝细菌和真核生物的叶绿体就因为叶黄素比例更高而颜色接近褐色，日照强的地方的叶绿体里则胡萝卜素比例更高导致颜色浅绿，提高了转换效率，同时避免了温度过高，而光伏电池没有这种调节能力，且工作受温度影响大，高温低温环境下基本远远达不到理论转换效率。

叶绿体光系统和光伏电池最高的转换效率，也就等于物理上最高的光电转换效率。这个值已经很难再显著提高了，目前光伏电池的研究主要是打破制作材料的限制，降低成本。

既然蓝细菌和叶绿体的光系统转换率高，并且环境适应性这么强，为什么不人工仿造叶绿体光系统来造光伏电池呢，因为叶绿体光系统是蛋白质支撑色素组成的系统，是分子级别的，只能在生物质膜两侧通过氢离子形成电位差，其容错率极低，在依赖于细胞体来修复损伤和调整色素比例，在细胞外是复制不了的。

而人工光伏，需要尽量在大的面积上接受光并转换为光伏电池两侧的电位差，细节不需要想叶绿体光系统那么精细。因为一块光伏电池做好后，就难以再对其进行分子级别的处理，单个分子的损伤对整体影响越小，光伏电池的使用寿命就越高，这方面的设计思路与叶绿体光系统是相反的。

叶绿体光系统对光伏电池制作的唯一启示是，对于有机光伏电池，如果把呈色结构设计为可基于化学反应随环境温度和光照条件在深蓝色、棕色、绿色之间变化，那么有可能提高效率、加强输出的稳定性。