Biologisk materiale øger solcellens ydeevne

Næste generation af solceller, der efterligner fotosyntese med biologisk materiale, kan give ny betydning til begrebet "grøn teknologi." Tilføjelse af proteinet bacteriorhodopsin (bR) til perovskit-solceller øgede effektiviteten af ​​enhederne i en række laboratorietests, ifølge et internationalt hold af forskere.

"Disse resultater åbner døren for udviklingen af ​​en billigere, mere miljøvenlig bioperovskite solcelleteknologi, " sagde Shashank Priya, associeret vicepræsident for forskning og professor i materialevidenskab ved Penn State. "I fremtiden, vi kan i det væsentlige erstatte nogle dyre kemikalier inde i solceller med relativt billigere naturlige materialer."

Perovskite solceller, opkaldt efter deres unikke krystalstrukturer, der udmærker sig ved at absorbere synligt lys, er et område med intens forskning, fordi de tilbyder et mere effektivt og billigere alternativ til traditionel siliciumbaseret solteknologi.

De mest effektive perovskit-solceller kan omdanne 22 til 23 procent af sollys til elektricitet. Forskerne fandt ud af, at tilsætning af bR-proteinet til perovskit-solceller forbedrede enhedernes effektivitet fra 14,5 til 17 procent. De rapporterede deres resultater i tidsskriftet American Chemical Society ACS anvendte materialer og grænseflader .

Forskningen repræsenterer første gang, videnskabsmænd har vist, at biologiske materialer tilsat perovskit-solceller kan give en høj effektivitet. Fremtidig forskning kan resultere i endnu mere effektive bioperovskitmaterialer, sagde forskerne.

"Tidligere undersøgelser har opnået 8 eller 9 procent effektivitet ved at blande visse proteiner inde i solcellestrukturer, " sagde Priya, en medforfatter af undersøgelsen. "Men intet er kommet i nærheden af ​​17 procent. Disse resultater er meget væsentlige."

Kommercielle solpaneler består af hundreder eller tusinder af individuelle solceller, så selv små forbedringer i effektiviteten kan føre til reelle besparelser, ifølge forskerne.

Efterligner naturen

Træk på naturen, forskerne søgte at forbedre ydeevnen af ​​perovskit-solceller yderligere gennem Förster Resonance Energy Transfer (FRET), en mekanisme til energioverførsel mellem et par lysfølsomme molekyler.

"FRET-mekanismen har eksisteret i lang tid, " sagde Renugopalakrishnan Venkatesan, professor ved Northeastern University og Boston Children's Hospital, Harvard Universitet, og medforfatter på undersøgelsen. "Det ser ud til at være grundlaget for fotosyntese og kan findes i teknologier som trådløs overførsel af energi, og endda i dyrenes verden som en mekanisme til kommunikation. Vi bruger denne mekanisme til at forsøge at skabe en verden af ​​bio-inspirerede systemer, der har potentialet til at overgå enten uorganiske eller organiske molekyler."

bR-proteinerne og perovskitmaterialerne har lignende elektriske egenskaber, eller båndhuller. Ved at justere disse huller, forskerne antog, at de kunne opnå en bedre ydeevne i perovskit-solceller gennem FRET-mekanismen.

"Solceller virker ved at absorbere lysenergi, eller fotonmolekyler og skaber elektron-hul-par, " sagde Subhabrata Das, som deltog i forskningen, mens han var doktorand ved Columbia University. "Ved at sende elektronerne og hullerne i modsatte retninger, solceller genererer en elektrisk strøm, der bliver omdannet til elektricitet."

Imidlertid, en vis procentdel af elektron-hul-par rekombinerer, reducere mængden af ​​produceret strøm. Blanding af bR-proteinet i perovskit-solceller hjalp elektron-hul-par til bedre at bevæge sig gennem enhederne, reducere rekombinationstab og øge effektiviteten, sagde forskerne.

Resultaterne kan potentielt have større konsekvenser, fører til design af andre hybride enheder, hvori kunstige og biologiske materialer arbejder sammen, ifølge forskerne.