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问题

光伏电池和叶绿体哪个转换太阳能的效率高？

回答
在比较光伏电池和叶绿体在转化太阳能方面的效率时，我们其实是在对比两种截然不同的技术，一种是人类创造的半导体器件，另一种是大自然亿万年演化出的生物机器。要深入理解它们，我们需要拆解各自的工作原理和面临的挑战。

先说说光伏电池（太阳能电池板）

简单来说，光伏电池是通过“光伏效应”来工作的。当太阳光照射到半导体材料（通常是硅）上时，光子会把能量传递给材料中的电子。如果光子的能量足够大，它就能将电子从原子束缚中“打”出来，形成一个自由的电子和一个“空穴”（也就是电子离开后留下的位置）。

这些自由电子和空穴在电池内部的电场作用下，会向不同的方向移动。在电池的两端，会形成一个电压差。如果我们连接一个电路，这些电子就会沿着电路流动，产生电流，这就是我们能利用的电能。

光伏电池的效率，也就是转化效率，通常指的是它能将照射到其表面的太阳能转化为电能的比例。目前市面上主流的晶硅光伏电池，其实验室最高效率已经超过了26%，而商业化产品通常在18%到22%之间。

那么，为什么光伏电池的效率会受到限制呢？

光谱损失（Band Gap Loss）： 太阳光谱包含各种不同能量的光子。半导体材料只有对特定能量范围内的光子才能有效响应。能量低于材料“带隙”的光子无法激发电子，能量过高的光子虽然能激发电子，但多余的能量会以热量的形式散失，而不是转化为电能。
反射和吸收损失： 部分太阳光会被电池表面反射掉，或者在材料内部被吸收但未被有效利用。
复合损失： 产生的电子和空穴可能会在到达电极之前“重新结合”，这就像是它们“中途夭折”了，没有能够成为电流。
电阻损失： 在电流通过材料和电极的过程中，会因为电阻而损失一部分能量，同样转化为热量。
工作温度： 光伏电池在工作时会发热，温度升高反而会降低其效率。

接着，我们来看看叶绿体

叶绿体是我们植物、藻类和蓝细菌中进行光合作用的“能量工厂”。它内部包含了复杂的色素分子（最主要的是叶绿素）和蛋白质复合体。

光合作用的过程非常精妙，可以大致分为两个阶段：

1. 光反应（Lightdependent reactions）： 这一阶段直接利用太阳光。叶绿素等色素吸收光能，将这些能量传递给一个反应中心。这个能量会用来“分裂”水分子（H₂O），产生氧气（O₂）、质子（H⁺）和电子。这些电子随后沿着一系列蛋白质复合物流动，这个过程中释放的能量被用来制造两种重要的能量载体：ATP（三磷酸腺苷）和NADPH（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）。
2. 暗反应（Calvin cycle）： 这一阶段不直接需要光，而是利用光反应产生的ATP和NADPH，将二氧化碳（CO₂）转化为糖类（如葡萄糖），为植物提供生长所需的能量和物质。

叶绿体在转化太阳能方面，又有哪些“效率”的概念呢？

衡量叶绿体的“太阳能转化效率”会比光伏电池复杂得多，因为它最终的产物是化学能，而不仅仅是电能。我们可以从几个层面来看：

光能到ATP和NADPH的转化效率： 在理想条件下，叶绿体能够将捕获的太阳光能，以非常高的比例转化为ATP和NADPH中的化学能。这个过程非常高效，因为存在一个精密的“电子传递链”来引导能量。
整个光合作用的效率： 如果我们考虑将太阳光能最终转化为植物生物质（如糖类）的效率，这通常被称为“光合作用的整体转化效率”。

那么，叶绿体的转化效率如何与光伏电池相比？

这是一个关键的问题。如果单纯比较“实验室理想条件下，光能转化为可用于驱动化学反应的化学能（ATP/NADPH）的比例”，叶绿体及其光合作用的某些环节，在捕捉和利用特定波长光能方面，确实表现出令人惊叹的效率。例如，某些研究表明，在特定实验条件下，叶绿素分子捕获单光子后，其能量传递和光化学反应的效率可以非常接近理论极限。

然而，当我们讨论“将太阳光能转化为最终可用的能量（比如电能）的比例”时，情况就不同了：

叶绿体的“输出”不是电能： 叶绿体产生的是化学能，储存在ATP和NADPH中。要将这些化学能转化为电能，需要后续的生化过程，这本身也会有能量损失。
植物的整体效率： 一棵植物能将多少比例的太阳能转化为其生物质？这受到很多因素的影响，包括叶片如何排列以避免互相遮挡、气孔开闭以控制二氧化碳吸收和水分蒸发，以及植物自身的代谢需求等等。在实际的农田中，植物将太阳能转化为生物质的年平均转化效率通常非常低，可能只有0.5%到2%左右。 即使在最优的温室条件下，也可能达到5%到7%甚至更高，但这依然远低于光伏电池的电能转化效率。
叶绿体自身的“实际”效率： 即便是叶绿体内部，也不是所有被捕获的光能都能转化为有效的化学能。一部分光能可能会被“耗散”掉（作为荧光或热量），以防止光系统被过强的光照损坏。

所以，我们该怎么理解“哪个效率高”？

如果问题是：“光伏电池能将太阳能直接转化为可用电能的比例” vs “叶绿体能将太阳能转化为其生物质（作为化学能储存）的比例”，那么：

光伏电池的效率更高。 商业化的光伏电池可以将18%22%的太阳能转化为电能，实验室最高效率更是超过26%。
叶绿体在转化太阳能为植物生长所需的化学能方面，整体效率要低得多。 实际中的植物年平均转化效率在0.5%2%左右。

但是，我们也不能简单地认为光伏电池就“完胜”。

叶绿体是“自修复”和“自复制”的： 叶绿体可以在细胞内自我修复，也能通过细胞分裂进行复制，这是光伏电池无法比拟的。
叶绿体的“柔韧性”： 叶绿体可以在不同的光照强度下，通过调节反应速率来适应环境。
叶绿体的“一体化”： 叶绿体是将光能收集、能量转化和物质生产（合成糖类）一体化的系统，而光伏电池只是完成了能量的初步转化。

更深层次的比较：

人类一直在尝试模仿叶绿体，制造所谓的“人工光合作用”系统，希望能结合光伏电池的效率和光合作用的化学能储存能力。例如，开发能够直接利用光能将水分解成氢气和氧气的催化剂，或者将二氧化碳转化为燃料。这些技术的研究，正是源于对叶绿体高超能量捕获和传递机制的借鉴。

总结一下，从“将太阳光能转化为可直接利用的能量形式”这一维度来看，目前人类制造的光伏电池，在效率上远高于植物叶绿体通过光合作用将太阳能转化为生物质的整体效率。

但是，叶绿体作为一种生物机器，它的“效率”体现在其长期、自给自足、环境适应性以及将能量转化为生命活动所需物质的综合能力上，这是与光伏电池在不同层面的比较，两者各有优势，也各有局限。叶绿体的精妙之处在于其亿万年演化的“智慧”，而光伏电池则代表了人类工程学的进步。

网友意见

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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
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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。

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