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作为21世纪最具潜力的清洁能源，太阳能产业拥有巨大的发展前景，能够有效缓解能源短缺及化石能源消耗带来的环境问题。实际上，太阳光照射地球表面1小时所产生的能量，足以满足人类一整年的能源需求。然而，目前最有效的太阳能电池仅能将约17%的光能转化为电能，而成本较低的二氧化钛太阳能电池的光电转化效率仅为10%。因此，如何高效利用这些免费送达地球的能量，成为推广太阳能应用的关键。

植物的光合作用为研究人员提供了重要启发。绿色植物和藻类通过光合作用吸收并利用光能，而捕光（light harvesting）是光合作用中最初始的过程。例如，生活在深海弱光环境中的海藻，依靠一种称为聚光色素复合体（light-harvesting complex）的杆状结构来捕光，其中包含数千个聚光色素分子，能够吸收极微弱的阳光。这些能吸收和聚集光能的色素被称为天线色素。德国卡尔斯鲁厄大学纳米技术研究所的巴拉班（Alexander Balaban）指出，深海海藻通过天线色素能够捕获高达97%的可利用光子。

事实上，所有植物都拥有由层层聚光色素分子构成的“天线”，大部分绿叶的光能利用效率在30%至40%之间。受此启发，巴拉班及多个科研团队研制出人造“捕光天线”，并计划将其应用于新型太阳能电池，以提高光电转换效率。

澳大利亚悉尼大学的马克斯·克罗斯利（Max Crossley）团队率先利用合成紫质（卟啉，一种色素分子）制成人造“捕光天线”。合成紫质能吸收较宽光谱范围的光，将100多个这种分子“搭建”在类似植物脉络结构的支架上，即形成“捕光天线”。然而，现有技术下逐点排列这些色素分子耗时费力。

美国亚利桑那州立大学的研究人员则尝试采用DNA折纸术（DNA origami）来控制色素分子的排列，实现“捕光天线”的自我组装。DNA折纸术利用一根长的单链DNA作为骨架，通过反复折叠形成所需图形。研究人员将合成紫质与DNA单链结合，希望通过多条DNA单链的组合，构建出含有大量色素分子的三维支架状“天线”。

巴拉班团队则直接模仿自然界植物“捕光天线”的原理。他们发现某些分子可以吸附在植物色素分子上，像胶水一样将色素分子黏合在一起。他们找到了多种可充当“胶水”的物质，包括锌分子等。实验证实，在“胶水”分子的帮助下，合成紫质分子能自动结合形成“捕光天线”，并在阳光下吸收光子。巴拉班表示，通过调整“天线”长度（例如吸收可见光时长度约100纳米），可使其吸收特定光谱范围的光。目前，巴拉班正尝试将人造“天线”安装到二氧化钛薄膜上，这是制造低成本太阳能电池的关键一步，并计划将其与不同半导体材料结合，应用于现有其他种类太阳能电池。

那么，“捕光天线”如何为太阳能电池提供更多能量？在植物光合作用中，天线色素分子将吸收的光能传递给一种特殊的叶绿素分子P680，P680吸收能量后释放高能电子，将二氧化碳转化为糖分。而在太阳能电池中，合成紫质分子吸收光子后将其传递到半导体材料，光子碰撞后释放电子，形成电流。

不过，麻省理工学院的丹尼尔·诺切拉（Daniel Nocera）认为，仅靠安装“捕光天线”提高太阳能电池效率不足以使太阳能成为主要能源，还需找到有效储存太阳能的方法，以便运输并保证夜间使用。诺切拉正与斯坦福大学的内森·路易斯（Nathan Lewis）合作研制“捕光天线”，但他们的目标不是将光能转化为电能，而是制造更易储存的氢。在他们的装置中，光子释放的电子在催化剂作用下将水分解为氢气和氧气，氢气可储存在太阳能电池中备用，整个过程与光合作用分解水相似。虽然利用可再生能源制备氢气并非新概念，但诺切拉相信，带有“捕光天线”的太阳能电池制氢装置不仅能提高电池效率，还能避免电能转移中的能量损失。不过，将这两个步骤合二为一仍需时日。