Hybrid nanostruktur øger effektiviteten ved let høst

For at absorbere indgående sollys, planter og visse slags bakterier er afhængige af et lethøstet proteinkompleks, der indeholder molekyler kaldet kromoforer. Dette kompleks fører solenergi til det fotosyntetiske reaktionscenter, hvor den omdannes til kemisk energi til metaboliske processer.

Inspireret af denne fund-in-nature arkitektur, forskere fra US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory og Stony Brook University (SBU) har samlet en nanohybridstruktur, der indeholder både biologisk afledte (biotiske) og uorganiske (abiotiske) materialer. De kombinerede et lethøstende protein fra en cyanobakterie, halvledende nanokrystaller (kvantepunkter), og et todimensionalt (2-D) halvledende overgangsmetal, der kun er et atomlag tykt. Beskrevet i et papir, der blev offentliggjort den 29. april i ACS Photonics - en journal fra American Chemical Society (ACS) - denne nanostruktur kunne bruges til at forbedre effektiviteten, hvormed solceller høster energi fra solen.

"Dagens bedste solpaneler kan omdanne næsten 23 procent af det sollys, de absorberer, til elektricitet, men i gennemsnit deres effektivitet varierer mellem 15 og 18 procent, "sagde den tilsvarende forfatter Mircea Cotlet, en materialeforsker i Soft and Bio Nanomaterials Group ved Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN) —en DOE Office of Science User Facility. "Hvis denne effektivitet kan øges, mere elektricitet kan genereres. Den samlede biotisk-abiotiske nanohybrid viser forbedret høst af lys og generering af elektriske ladningsbærere sammenlignet med 2-D-halvleder-kun-strukturen. Disse egenskaber øger nanohybridens reaktion på lys, når strukturen er inkorporeret i en felteffekttransistor (FET), en slags optoelektronisk enhed. "

Ved design af nanohybrid, forskerne valgte atom tyndt 2-D molybdæn diselenid (MoSe ₂ ) som platform til bund-op-samling. Molybdæn diselenid er en halvleder, eller et materiale, hvis elektriske ledningsevne er mellem en almindelig leder (lille modstand mod strømmen af ​​elektrisk strøm) og isolator (høj modstand). De kombinerede MoSe ₂ med to stærke lyshøstede nanomaterialer:quantum dots (QDs) og allophycocyanin (APC) proteinet fra cyanobakterier.

Forskerne valgte komponenterne baseret på deres lyshøstende egenskaber og konstruerede komponenternes båndgab (minimum energi krævet for at ophidse en elektron for at deltage i ledning), så en samordnet trinvis energioverførsel kan fremmes gennem nanohybrid på en retningsbestemt måde. I hybrid, energi strømmer fra lys-eksiterede QD'er til APC-proteinet og derefter til MoSe ₂ . Denne energioverførsel efterligner naturlige lyshøstningssystemer, hvor overfladekromoforer (i dette tilfælde, QD'er) absorberer lys og leder den høstede energi til mellemliggende kromoforer (her, APC) og endelig til reaktionscenteret (her, MoSe ₂ ).

For at kombinere de forskellige komponenter, forskerne anvendte elektrostatisk selvsamling, en teknik baseret på interaktionerne mellem elektrisk ladede partikler (modsat ladninger tiltrækker; lignende ladninger frastøder). De brugte derefter et specialiseret optisk mikroskop til at undersøge overførsel af energi gennem nanohybriderne. Disse målinger afslørede, at tilføjelsen af ​​APC-proteinlaget øger nanohybridens energioverførselseffektivitet med enkeltlags MoSe2 med 30 procent. De målte også fotoresponset af nanohybrid inkorporeret i et fremstillet FET og fandt ud af, at det viste den højeste reaktionsevne i forhold til FET'er, der kun indeholdt en af ​​komponenterne, producerer mere end det dobbelte af fotostrømmen som reaktion på indgående lys.

"Mere lys overføres til MoSe ₂ i den biotisk-abiotiske hybrid, "sagde den første forfatter og forskningsassistent Mingxing Li, der arbejder med Cotlet i CFN Soft og Bio Nanomaterials Group. "Øget lysoverførsel kombineret med højladningsbærermobilitet i MoSe ₂ betyder, at flere bærere vil blive opsamlet af elektroderne i en solcelleenhed. Denne kombination er lovende for at øge enhedens effektivitet. "

Forskerne foreslog, at tilføjelse af APC mellem QD'er og MoSe2 skaber en "tragtlignende" energioverførselseffekt på grund af den måde, APC fortrinsvis orienterer sig på i forhold til MoSe ₂ .

"Vi mener, at denne undersøgelse repræsenterer en af ​​de første demonstrationer af en kaskaderet biotisk-abiotisk nanohybrid, der involverer en 2-D-overgangsmetalhalvleder, "sagde Li." I en opfølgende undersøgelse, Vi vil arbejde med teoretikere for mere dybt at forstå mekanismen bag denne forbedrede energioverførsel og identificere dens anvendelser inden for energiindsamling og bioelektronik. "