太陽能產業自從誕生後以來就被視為綠色能源很重要的里程碑，且已經在許多地方都取得了不小的成就。一片又一片的太陽能板在大地上排成陣列，一受陽光的照射就能將來自陽光的光能轉換成電能，再經由電網分配輸送到你我的手上，作為推動現代文明的動力。這樣的場景在我小時候看的書中被描繪了許多次，這些太陽能板被形容成"人造的葉子"，安裝在城市的各個角落替人類接受來自大自然的饋贈。
太陽能板的確可以稱為"人造葉子"，畢竟他與葉子相同，皆是從太陽光中獲取能量。但是相較於葉子，太陽能板那種直觀的手段還是太粗糙了。它僅能以矽晶體中PN結的電子電洞對產生直流電，一邊發電一邊使用。要是發電的當下沒有用完想要存起來，勢必又需要其他電池的幫助。這不僅僅是一個成本，在儲存的同時也意味著更多能量的損失。而真正的葉子在這部份上可是精巧了不少，葉子的工作不是僅是把能量從陽光中榨取出來，同時還將獲得的能量轉換成化學能(葡萄糖)後儲存在植物體內以備之後使用。這就是太陽能光電板與葉片最核心的差異。
化學能相較電能最大的優勢之一就是可以儲存，想想推動工業革命的煤炭、近代化工製造及能源運輸的石油、甚至是推動發電機的天然氣與手機裡的電池，誰不是透過化學分子把能量穩穩地守著直到你需要它為你效勞時，燃燒轉化為熱能或是反應產生電能。這也是為甚麼"人工光合作用"這項技術至今還是許多科學研究的目標。
若省去那些複雜的化學機制，而單就結果來說，光合作用其實就是利用太陽光的能量把二氧化碳與水變成氧氣與醣。這是一個用光能推動化學反應的神奇技術，在化學的觀點中我們叫他光化學。而從分子層面上來了解這件事情，可以想像成將原本組合好的積木打亂，重新組合。有些積木的組合比較脆弱，容易釋放能量，像酒精CH3CH2OH容易自己燃燒並放出化學能成為熱，釋放完能量後就變成了穩定的組合，像是CO2和H2O。而光，則要成為堆起積木的手，他將能量用來分解CO2和H2O並重新組合成O2及C6H12O6這樣的醣分子。而科學家們想到的是，如果可以用這樣的技術產生甲烷，就可以幫你煮飯燒水。如果產生的是酒精，也可以用在內燃機作為一部份的汽油取代品達成碳中和。
從經濟的層面看來，人工光合作用簡直是化腐朽為神奇，只要水加上空氣中飄盪著的免費CO2，曬個太陽就能直接變成有價值的產物，但這在技術上其實相當不容易。首先是CO2濃度只有約400 ppm的問題，雖然自工業革命後CO2濃度只增不減，但這樣的濃度對於推動化學反應是遠遠不夠的。再來是光能的轉換，太陽光中有著七彩的顏色挾帶著不同強度的能量，然而並不是每個顏色都能派上用場，需要是特定顏色特定能量的光才能驅動反應。最後是產物的收集，以往的太陽能光電板透過金屬導線將電送至電網，而人工光合作用則需要建立一套完整的物流系統將產物及副產物運輸並儲存起來。這些還不是最困難的，最困難的是要怎麼在常溫常壓的開放環境中讓CO2與其他分子作用。目前有幾種主流手段，像是透過酵素、有機金屬催化劑、金屬有機骨架(MOFs)或是薄膜等等，但要能持續的穩定運轉還是相當困難。
這也是為甚麼人工光合作用是一個相當值得深究的題目，它在應用方面有著無與倫比的潛力，再生產時就解決了碳排放問題，從製造端便達成了碳中和。同時它也是生化、化學、材料學的聖杯之一，也是人類向自然學習中很重要的里程碑。時至今日，那個描繪在書中的"人造的葉子"還沒有答案，但已經有許多團隊在這條路上持續投入了許多努力。而最佳的方案可能也不會只有一個，就像植物那樣，隨著環境變換著不同型態，配合著氣候找出合適的策略。就是如此複雜又精緻的系統才值得被稱為聖杯，才被人們不斷研究與追尋。
