Solenergi går viralt:Modificeret virus forbedrer solcelleeffektiviteten med en tredjedel

(PhysOrg.com)-Forskere ved MIT har fundet en måde at foretage betydelige forbedringer af solcellens strømkonverteringseffektivitet ved at benytte bittesmå vira til at udføre detaljeret samlingsarbejde på mikroskopisk niveau.

I en solcelle, sollys rammer et let høstende materiale, får det til at frigive elektroner, der kan udnyttes til at producere en elektrisk strøm. Den nye MIT -forskning, offentliggjort online i denne uge i tidsskriftet Naturnanoteknologi , er baseret på fund om, at kulstofnanorør - mikroskopiske, hule cylindre af rent kulstof - kan øge effektiviteten af ​​elektronopsamling fra en solcelles overflade.

Tidligere forsøg på at bruge nanorørene, imidlertid, var blevet forpurret af to problemer. Først, fremstilling af carbon nanorør producerer generelt en blanding af to typer, hvoraf nogle fungerer som halvledere (nogle gange tillader en elektrisk strøm at strømme, undertiden ikke) eller metaller (som fungerer som ledninger, så strømmen let kan flyde). Den nye forskning, for første gang, viste, at virkningerne af disse to typer har en tendens til at være forskellige, fordi de halvledende nanorør kan forbedre solcellernes ydeevne, men de metalliske har den modsatte virkning. Sekund, nanorør har en tendens til at klumpe sig sammen, hvilket reducerer deres effektivitet.

Og det er her, virus kommer til undsætning. Kandidatstuderende Xiangnan Dang og Hyunjung Yi - i samarbejde med Angela Belcher, W. M. Keck -professor i energi, og flere andre forskere - fandt ud af, at en genetisk manipuleret version af en virus kaldet M13, som normalt inficerer bakterier, kan bruges til at styre arrangementet af nanorør på en overflade, at holde rørene adskilt, så de ikke kan kortslutte kredsløbene, og holde rørene fra hinanden, så de ikke klumper.

Systemet, forskerne testede, brugte en type solceller kendt som farvestoffølsomme solceller, en let og billig type, hvor det aktive lag består af titandioxid, frem for silicium, der bruges i konventionelle solceller. Men den samme teknik kunne også anvendes på andre typer, herunder quantum-dot og organiske solceller, siger forskerne. I deres test, tilføjelse af de virusbyggede strukturer forbedrede strømkonverteringseffektiviteten til 10,6 procent fra 8 procent-næsten en tredjedel forbedring.

Denne dramatiske forbedring finder sted, selvom vira og nanorør udgør kun 0,1 vægtprocent af den færdige celle. ”Lidt biologi rækker langt, ”Siger Belcher. Med videre arbejde, forskerne mener, at de kan øge effektiviteten endnu mere.

Viraerne bruges til at hjælpe med at forbedre et bestemt trin i processen med at konvertere sollys til elektricitet. I en solcelle, det første trin er for lysets energi at banke elektroner løs fra solcellematerialet (normalt silicium); derefter, disse elektroner skal føres mod en kollektor, hvorfra de kan danne en strøm, der strømmer for at oplade et batteri eller drive en enhed. Efter det, de vender tilbage til det originale materiale, hvor cyklussen kan starte igen. Det nye system har til formål at forbedre effektiviteten af ​​det andet trin, hjælper elektronerne med at finde vej:Tilføjelse af kulstofnanorør til cellen “giver en mere direkte vej til den aktuelle opsamler, ”Siger Belcher.

Viraerne udfører faktisk to forskellige funktioner i denne proces. Først, de besidder korte proteiner kaldet peptider, der kan binde tæt til carbon nanorørene, holde dem på plads og holde dem adskilt fra hinanden. Hver virus kan indeholde fem til ti nanorør, hver af dem holdes fast på plads af omkring 300 af virusets peptidmolekyler. Ud over, virussen blev konstrueret til at producere en belægning af titandioxid (TiO2), en vigtig ingrediens til farvestoffølsomme solceller, over hvert af nanorørene, sætte titandioxid i umiddelbar nærhed af de trådlignende nanorør, der bærer elektronerne.

De to funktioner udføres i rækkefølge af den samme virus, hvis aktivitet "skiftes" fra den ene funktion til den næste ved at ændre surhedsgraden i sit miljø. Denne skiftefunktion er en vigtig ny kapacitet, der er blevet demonstreret for første gang i denne forskning, Siger Belcher.

Ud over, vira gør nanorørene opløselige i vand, hvilket gør det muligt at inkorporere nanorørene i solcellen ved hjælp af en vandbaseret proces, der virker ved stuetemperatur.

Prashant Kamat, en professor i kemi og biokemi ved Notre Dame University, der har udført omfattende arbejde med farvesensibiliserede solceller, siger, at mens andre har forsøgt at bruge carbon nanorør for at forbedre solcelleeffektiviteten, ”De forbedringer, der blev observeret i tidligere undersøgelser, var marginale, ”Mens forbedringerne fra MIT -teamet ved hjælp af virussamlingsmetoden er“ imponerende. ”

”Det er sandsynligt, at virusskabelonforsamlingen har gjort det muligt for forskerne at etablere en bedre kontakt mellem TiO2 -nanopartiklerne og kulstofnanorør. Sådan tæt kontakt med TiO2-nanopartikler er afgørende for hurtigt at fjerne de fotogenererede elektroner og transportere det effektivt til den indsamlende elektrodeoverflade. ”

Kamat mener, at processen godt kan føre til et levedygtigt kommercielt produkt:“Farvesensibiliserede solceller er allerede blevet kommercialiseret i Japan, Korea og Taiwan, ”Siger han. Hvis tilføjelse af kulnanorør via virusprocessen kan forbedre deres effektivitet, "Branchen vil sandsynligvis vedtage sådanne processer."

Belcher og hendes kolleger har tidligere brugt forskelligt konstruerede versioner af den samme virus til at forbedre ydelsen af ​​batterier og andre enheder, men den metode, der bruges til at forbedre solcellens ydeevne, er ganske anderledes, hun siger.

Fordi processen bare ville tilføje et enkelt trin til en standard solcellefremstillingsproces, det burde være ret let at tilpasse eksisterende produktionsfaciliteter og derfor være relativt hurtigt at implementere, Siger Belcher.