Forskere forklarer, hvordan farvestofbaserede nanorør kan hjælpe med at høste lysenergi

Virksomheder, der laver kommercielle solceller, er glade, hvis de kan opnå 20 procent effektivitet, når de konverterer sollys til elektricitet; en forbedring på endda 1 procent ses som et stort fremskridt. Men naturen, som har haft milliarder af år til at finjustere fotosyntesen, kan gøre det meget bedre:Mikroorganismer kaldet grønne svovlbakterier, som lever dybt i havet, hvor der næsten ikke er noget lys tilgængeligt, formår at høste 98 procent af energien i lyset, der når dem.

Nu, forskere ledet af en MIT postdoc har analyseret et kunstigt system, der modellerer den lysfangende metode, der bruges af dybhavsbakterier. Yderligere fremskridt i forståelsen af ​​grundlæggende lys-høstprocesser kan give helt nye tilgange til at opfange solenergi, siger forskerne. Deres resultater blev rapporteret 1. juli i tidsskriftet Naturkemi .

Det kunstige system, beskrevet i en tidligere artikel af postdoc Dörthe M. Eisele fra MIT's Research Laboratory of Electronics og samarbejdspartnere, består af et selvsamlende system af farvestofmolekyler, der danner perfekt ensartede dobbeltvæggede nanorør. Disse rør - kun omkring 10 nanometer brede, men tusindvis af gange længere - er ens i størrelse, form og funktion til naturlige receptorer, der bruges af grønne svovlbakterier, der samler energi fra de små mængder sollys, der trænger ned i havets dybder.

"Det er en af ​​naturens store hemmeligheder, hvordan man høster lys så effektivt, " siger Eisele. Hendes medforfattere inkluderer Moungi G. Bawendi og afdøde Robert J. Silbey, begge MIT professorer i kemi, sammen med samarbejdspartnere ved Humboldt University of Berlin, University of Texas i Austin og University of Groningen i Holland.

Eisele siger, at denne særlige type nanorør er usandsynligt at finde praktiske anvendelser. Hellere, hun siger, disse eksperimenter var designet til at studere underliggende principper, som derefter kunne bruges til at finde optimale materialer til bestemte formål. "Dette system er så interessant, fordi det er et smukt modelsystem, " siger hun, til at analysere, hvordan sådanne strukturer reagerer på lys.

I modsætning til typiske selvsamlende systemer, hvor hver struktur kan være en smule anderledes, disse dobbeltvæggede rør, lavet af et cyaninbaseret farvestof, danner helt ensartede former og størrelser.

Det gør det til et perfekt modelsystem, Eisele forklarer, fordi at vide, at alle nanorørene i en opløsning er identiske, gør det muligt at studere deres egenskaber i bulk, i stedet for at skulle isolere responsen fra hvert enkelt rør.

Et grundlæggende spørgsmål, holdet ønskede at løse, var, om de to koncentriske cylindre i de dobbeltvæggede rør arbejdede sammen som et integreret system til at fange lysets energi, eller om hver cylinder virkede for sig selv.

For at besvare det spørgsmål, Eisele og hendes team udtænkte en måde at deaktivere en af ​​de to cylindre ved at oxidere ydervæggens molekyler. "Den rørformede struktur er stadig intakt, men det dræber den optiske reaktion fra ydervæggen, så det, der er tilbage, er den indvendige vægs optiske respons, ” siger hun. "Det er en meget enkel og elegant måde at isolere spektret af indervæggen."

Ved at sammenligne optiske reaktioner, når begge cylindre fungerer, og når kun den ene fungerer, det er muligt at bestemme, hvor meget interaktion der finder sted mellem de to cylindre. "Når du ser dynamikken i redoxreaktionen, " siger Eisele, "Du kan se, at disse to cylindre kan ses som to separate systemer."

Karakterisering af denne forenklede kunstige struktur kan give forskere mulighed for at bygge mere effektive lysindsamlingsanordninger. "Naturen havde millioner af år til at optimere" hvordan organismer fanger energi, Eisele siger; at forstå, hvordan det gjorde det, kan føre til bedre menneskeskabte systemer.

"Vi ønsker ikke at forbedre effektiviteten af ​​solceller, vi har nu, ” siger hun. "Vi ønsker at lære af naturen, hvordan man bygger helt nye lysindsamlingsanordninger."

Gregory Scholes, D.J. LeRoy Distinguished Professor of Kemi ved University of Toronto, som ikke var involveret i dette arbejde, siger, "Forskerne brugte udsøgte eksperimenter til at teste, hvordan komponenterne i nanoskalaen i dette system interagerer efter fotoexcitation." Han tilføjer, at arbejdet "giver vigtig indsigt i designet af store samlinger af molekyler til applikationer i 'lyshøst'."

Forskningen blev støttet af Deutsche Forschungsgemeinschaft, Integrative Research Institute for the Sciences i Berlin, National Science Foundation, Alexander von Humboldt Fonden, Department of Energy Center for Excitonics, Hærens Forskningskontor og Forsvarets Advanced Research Projects Agency.

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.