生物光伏

生物光伏(BPV)是一种发电技术，它使用含氧光自养生物或其部分来收集光能并产生电能。生物光伏器件是一种生物电化学系统或微生物燃料电池，有时也称为光微生物燃料电池或“活体太阳能电池”。在生物光伏系统中，水的光解产生的电子被转移到阳极。在阴极发生相对高电位的反应，由此产生的电位差驱动电流通过外部电路做有用的功。希望利用生物体（能够自我组装和自我修复）作为光收集材料，

与其他燃料电池一样，生物光伏系统分为阳极半电池和阴极半电池。在阳极半电池中使用了产氧光合生物材料，例如纯化的光系统或整个藻类或蓝藻细胞。这些生物能够利用光能来驱动水的氧化，并且该反应产生的一部分电子被转移到细胞外环境，在那里它们可以用来还原阳极。阳极室中不包括异养生物——电极还原由光合材料直接进行。相对于阳极的还原，阴极反应的更高电极电位驱动电流通过外部电路。在插图中，氧气在阴极被还原为水，但也可以使用其他电子受体。如果水被再生，则在电子流方面存在一个闭环（类似于传统的光伏系统），即光能是产生电能所需的xxx净输入。或者，电子可以在阴极用于产生有用化合物的电合成反应，例如将质子还原为氢气。

与微生物燃料电池类似，使用完整生物的生物光伏系统比非生物燃料电池和光伏系统具有能够自组装和自修复（即光合生物能够自我繁殖）的优势。有机体存储能量的能力允许在黑暗中从生物光伏系统发电，从而规避了传统光伏有时面临的电网供需问题。此外，使用固定二氧化碳的光合生物意味着在生物光伏系统中“组装”光收集材料可能会产生负碳足迹。与使用异养微生物的微生物燃料电池相比，生物光伏系统不需要输入有机化合物来为系统提供还原当量。这通过最小化分离光能捕获和阳极还原的反应数量来提高光电转换效率。在生物电化学系统中使用含氧光合材料的一个缺点是阳极室中氧气的产生对电池电压有不利影响。

生物光伏系统由它们使用的光收集材料的类型以及从生物材料到阳极的电子转移模式来定义。

生物光伏器件中使用的光收集材料可以根据其复杂性进行分类；更复杂的材料通常效率较低但更坚固。

隔离光系统提供了水光解和阳极还原之间最直接的联系。通常，光系统被隔离并吸附到导电表面。可能需要可溶性氧化还原介质（一种能够接受和提供电子的小分子）来改善光系统和阳极之间的电通信。由于不存在修复所需的其他细胞组件，基于隔离光系统的生物光伏系统具有相对较短的寿命（几小时），并且通常需要低温来提高稳定性。

光合生物的亚细胞部分，例如纯化的类囊体膜，也可用于生物光伏系统。使用同时包含光系统II和光系统I的材料的一个好处是，通过光系统II从水中提取的电子可以在更负的氧化还原电位下（来自光系统I的还原端）提供给阳极。需要氧化还原介体（例如铁氰化物）在光合成分和阳极之间转移电子。

使用整个生物体的生物光伏系统是xxx大的类型，并且已观察到数月的寿命。整个细胞的绝缘外膜阻碍了电子从细胞内产生电子的部位到阳极的转移。因此，除非系统中包含脂溶性氧化还原介质，否则转化效率很低。蓝藻通常用于这些系统，因为与真核藻类相比，它们的细胞内膜排列相对简单，有利于电子输出。潜在的催化剂如铂可用于增加细胞膜的渗透性。

光合材料对阳极的还原可以通过直接电子转移或通过可溶性氧化还原介体来实现。氧化还原介质可以是脂溶性的（例如维生素K2），允许它们通过细胞膜，并且可以添加到系统中或由生物材料产生。

如果生物氧化还原成分与电极足够接近以发生电子转移，则孤立的光系统和亚细胞光合部分可能能够直接还原阳极。与异化金属还原细菌等生物体相比，藻类和蓝细菌对细胞外电子输出的适应性很差-尚未最终确定能够直接还原不溶性细胞外电子受体的分子机制。然而，在不添加外源氧化还原活性化合物的情况下，从整个光合生物中观察到阳极还原率较低。据推测，电子转移是通过释放低浓度的内源性氧化还原介体化合物而发生的。

氧化还原介质通常被添加到实验系统中，以提高从生物材料输出电子和/或电子转移到阳极的速率，尤其是当整个细胞用作光收集材料时。醌、吩嗪和紫精均已成功用于增加生物光伏器件中光合生物的电流输出。添加人工介体被认为在放大应用中是不可持续的做法，因此大多数现代研究都是关于无介体系统的。

目前生物光伏器件的转换效率太低，无法按比例放大以实现平价上网。正在采用基因工程方法来增加光合生物的电流输出，以用于生物光伏系统。