Fotovoltaiske paneler lavet af plantemateriale kan blive et billigt alternativ til traditionelle solceller

Inden for få år, mennesker i fjerntliggende landsbyer i udviklingslandene kan muligvis lave deres egne solpaneler, til lave omkostninger, ved at bruge ellers værdiløst landbrugsaffald som deres råvare.

Det er MIT-forskeren Andreas Mershins vision, hvis arbejde vises i denne uge i open access-journalen Videnskabelige rapporter . Værket er en forlængelse af et projekt, der blev påbegyndt for otte år siden af ​​Shuguang Zhang, en hovedforsker og associeret direktør ved MIT's Center for Biomedical Engineering. Zhang var seniorforfatter af det nye papir sammen med Michael Graetzel fra Schweiz' École Polytechnique Fédérale de Lausanne.

I sit originale værk, Zhang var i stand til at få et kompleks af molekyler kendt som fotosystem-I (PS-I), de små strukturer i planteceller, der udfører fotosyntese. Zhang og kolleger hentede PS-I fra planter, stabiliserede det kemisk og dannede et lag på et glassubstrat, der - ligesom en konventionel solcelle - kunne producere en elektrisk strøm, når den udsættes for lys.

Men det tidlige system havde nogle ulemper. Montering og stabilisering krævede dyre kemikalier og sofistikeret laboratorieudstyr. Hvad mere er, den resulterende solcelle var svag:Dens effektivitet var flere størrelsesordener for lav til at kunne bruges, hvilket betyder, at den skulle sprænges med en laser med høj effekt for overhovedet at producere strøm.

Nu siger Mershin, at processen er blevet forenklet til det punkt, at stort set ethvert laboratorium kunne replikere det - inklusive universitets- eller endda high school-videnskabslaboratorier - hvilket giver forskere over hele verden mulighed for at begynde at udforske processen og foretage yderligere forbedringer. Det nye systems effektivitet er 10, 000 gange større end i den tidligere version - selvom kun 0,1 procent af sollys energi omdannes til elektricitet, det skal stadig forbedres en ti gange mere for at blive nyttig, han siger.

Nøglen til at opnå denne enorme forbedring af effektiviteten, Mershin forklarer, fandt en måde at udsætte meget mere af PS-I-komplekset pr. overfladeareal af enheden for solen. Zhangs tidligere arbejde frembragte simpelthen et tyndt fladt lag af materialet; Mershins inspiration til det nye fremskridt var fyrretræer i en skov.

Mershin, forsker i MIT Center for Bits and Atoms, bemærkede, at mens de fleste fyrretræer kun havde nøgne stammer og en baldakin af grene helt i toppen, nogle få havde små grene hele vejen ned langs stammen, opfanger alt sollys, der sivede ned fra oven. Han besluttede at oprette en mikroskopisk skov på en chip, med PS-I belægning hans "træer" fra top til bund.

At vende denne indsigt til en praktisk enhed tog mange års arbejde, men i sidste ende var Mershin i stand til at skabe en lille skov af zinkoxid (ZnO) nanotråde samt en svamplignende titandioxid (TiO2) nanostruktur belagt med det lysopsamlende materiale, der stammer fra bakterier. Nanotrådene tjente ikke kun som en bærende struktur for materialet, men også som ledninger til at transportere strømmen af ​​elektroner, der genereres af molekylerne, ned til det understøttende lag af materiale, hvorfra den kunne forbindes til et kredsløb. "Det er som en elektrisk nanoskov, ”Siger han.

Som en bonus, både zinkoxid og titandioxid - hovedingrediensen i mange solcremer - er meget gode til at absorbere ultraviolet lys. Det er nyttigt i dette tilfælde, fordi ultraviolet har tendens til at beskadige PS-I, men i disse strukturer absorberes skadeligt lys af understøtningsstrukturen.

Mershin mener, at fordi han og hans kolleger nu har sænket adgangsbarrieren for yderligere arbejde med disse materialer, fremskridt i retning af at forbedre deres effektivitet bør være hurtige. Ultimativt, når effektiviteten når 1 eller 2 procent, han siger, det vil være godt nok til at være nyttigt, fordi ingredienserne er så billige og forarbejdningen så enkel.

"Du kan bruge alt grønt, selv græsafklip ”som råmateriale, siger han - i nogle tilfælde, affald, som folk ellers ville betale for at have trukket væk. Mens centrifuger blev brugt til at koncentrere PS-I-molekylerne, holdet har foreslået en måde at opnå denne koncentration ved at bruge billige membraner til filtrering. Der er ikke behov for særlige laboratorieforhold, Mershin siger:"Det kan være meget beskidt, og det virker stadig, på grund af den måde naturen har designet det på. Naturen arbejder i beskidte miljøer - det er resultatet af milliarder af eksperimenter over milliarder af år."

Fordi systemet er så billigt og enkelt, han håber, at dette vil blive en "måde at få lavteknologisk elektricitet til folk, der aldrig er blevet tænkt som forbrugere eller producenter af solenergiteknologi." Han håber, at instruktionerne til fremstilling af en solcelle vil være enkle nok til at blive reduceret til "Et ark tegneserieinstruktioner, uden ord. ”Den eneste ingrediens, der skulle købes, ville være kemikalier til stabilisering af PS-I-molekylerne, som kunne pakkes billigt i en plastikpose.

I det væsentlige, Mershin siger, inden for et par år en landsbyboer i en fjerntliggende, placering uden for nettet kunne "tage den taske, bland det med alt grønt og mal det på taget" for at begynde at producere strøm, som derefter kunne oplade mobiltelefoner eller lanterner. I dag, den mest udbredte kilde til belysning på sådanne steder er petroleumslanterner - "den dyreste, mest usunde ”form for belysning, der er, han siger. ”Natbelysning er den bedste måde at komme ud af fattigdom, " tilføjer han, fordi det gør det muligt for folk, der arbejder i marken hele dagen, at læse om natten og få en uddannelse.

Babak Parviz, en lektor i elektroteknik ved University of Washington, der har specialiseret sig i bionanoteknologi, siger, at dette er "et meget spændende papir og et meget flot skridt i retning af at integrere biomolekyler til bygning af solceller. Dette viser et meget lovende og kreativt første skridt mod at bygge organiske solcelleceller, der kan bruge biologisk (naturligt) producerede kerner.” Han tilføjer, at selvom det nuværende system stadig trænger til yderligere udvikling, “further work in the field can perhaps improve the stability and performance of these devices.”

The research was funded in part by an unrestricted grant from Intel Corp., and also included researchers at the University of Tennessee.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.