Nye solcelle-selvreparationer som naturlige plantesystemer

(PhysOrg.com) - Forskere skaber en ny type solcelle designet til at reparere sig selv ligesom naturlige fotosyntetiske systemer i planter ved at bruge kulstof nanorør og DNA, en tilgang rettet mod at øge levetiden og reducere omkostningerne.

"Vi har skabt kunstige fotosystemer ved hjælp af optiske nanomaterialer til at høste solenergi, der omdannes til elektrisk strøm, " sagde Jong Hyun Choi, en assisterende professor i maskinteknik ved Purdue University.

Designet udnytter de usædvanlige elektriske egenskaber ved strukturer kaldet enkeltvæggede kulstof nanorør, bruger dem som "molekylære ledninger i lys-høstceller, " sagde Choi, hvis forskningsgruppe er baseret på Birck Nanotechnology og Bindley Bioscience centrene i Purdue's Discovery Park.

"Jeg tror, ​​at vores tilgang lover industrialiseringen, men vi er stadig i grundforskningsstadiet, " han sagde.

Fotoelektrokemiske celler omdanner sollys til elektricitet og bruger en elektrolyt - en væske, der leder elektricitet - til at transportere elektroner og skabe strømmen. Cellerne indeholder lysabsorberende farvestoffer kaldet kromoforer, klorofyllignende molekyler, der nedbrydes på grund af udsættelse for sollys.

"Den kritiske ulempe ved konventionelle fotoelektrokemiske celler er denne nedbrydning, " sagde Choi.

Den nye teknologi overvinder dette problem ligesom naturen gør:ved løbende at erstatte de fotobeskadigede farvestoffer med nye.

"Denne form for selvregenerering udføres i planter hver time, " sagde Choi.

Det nye koncept kunne muliggøre en innovativ type fotoelektrokemisk celle, der fortsætter med at fungere med fuld kapacitet på ubestemt tid, så længe der tilføjes nye kromoforer.

Resultaterne blev beskrevet i en præsentation i november under International Mechanical Engineering Congress and Exhibition i Vancouver. Konceptet blev også afsløret i en online artikel på webstedet for SPIE, et internationalt samfund for optik og fotonik.

Talen og artiklen er skrevet af Choi, ph.d.-studerende Benjamin A. Baker og Tae-Gon Cha, og bachelorstuderende M. Dane Sauffer og Yujun Wu.

Kulstofnanorørene fungerer som en platform til at forankre DNA-strenge. DNA'et er konstrueret til at have specifikke sekvenser af byggesten kaldet nukleotider, gør dem i stand til at genkende og knytte sig til kromoforerne.

"DNA'et genkender farvestofmolekylerne, og så samler systemet sig spontant, " sagde Choi

Når kromoforerne er klar til at blive udskiftet, de kan fjernes ved at bruge kemiske processer eller ved at tilføje nye DNA-strenge med forskellige nukleotidsekvenser, sparker de beskadigede farvestofmolekyler i gang. Nye kromoforer vil derefter blive tilføjet.

To elementer er afgørende for, at teknologien kan efterligne naturens selvreparerende mekanisme:molekylær genkendelse og termodynamisk metastabilitet, eller systemets evne til løbende at blive opløst og samlet igen.

Forskningen er en forlængelse af arbejdet, som Choi samarbejdede om med forskere ved Massachusetts Institute of Technology og University of Illinois. Det tidligere arbejde brugte biologiske kromoforer taget fra bakterier, og resultaterne blev beskrevet i et forskningspapir offentliggjort i november i tidsskriftet Naturkemi .

Imidlertid, det er svært at bruge naturlige kromoforer, og de skal høstes og isoleres fra bakterier, en proces, der ville være dyr at reproducere i industriel skala, sagde Choi.

"Så i stedet for at bruge biologiske kromoforer, vi ønsker at bruge syntetiske lavet af farvestoffer kaldet porfyriner, " han sagde.