Team kombinerer kvantefysik og fotosyntese for at gøre opdagelse, der kan føre til højeffektive solceller

Et University of California, Riverside assisterende professor har kombineret fotosyntese og fysik for at gøre en nøgleopdagelse, der kunne hjælpe med at gøre solceller mere effektive. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver .

Nathan Gabor er fokuseret på eksperimentel kondenseret stoffysik, og bruger lys til at undersøge kvantemekanikkens grundlæggende love. Men, han blev interesseret i fotosyntese, da et spørgsmål dukkede op i hans hoved i 2010:Hvorfor er planter grønne? Han opdagede hurtigt, at ingen rigtig ved det.

I løbet af de sidste seks år har han søgte at hjælpe med at ændre det ved at kombinere sin baggrund i fysik med et dybt dyk ned i biologi.

Han satte sig for at nytænke solenergikonvertering ved at stille spørgsmålet:kan vi lave materialer til solceller, der mere effektivt absorberer den svingende mængde energi fra solen. Planter har udviklet sig til at gøre dette, men de nuværende overkommelige solceller - som i bedste fald er 20 procent effektive - kontrollerer ikke disse pludselige ændringer i solenergi, sagde Gabor. Det resulterer i en masse spildt energi og hjælper med at forhindre bred anvendelse af solceller som energikilde.

Gabor, og flere andre UC Riverside fysikere, løste problemet ved at designe en ny type kvantevarmemotorfotocelle, som hjælper med at manipulere strømmen af ​​energi i solceller. Designet inkorporerer en varmemotorfotocelle, der absorberer fotoner fra solen og omdanner fotonenergien til elektricitet.

Overraskende nok, forskerne fandt ud af, at kvantevarmemotorens fotocelle kunne regulere solenergikonvertering uden at kræve aktiv feedback eller adaptive kontrolmekanismer. I konventionel fotovoltaisk teknologi, som bruges på hustage og solcellegårde i dag, udsving i solenergi skal undertrykkes af spændingsomformere og feedback-controllere, hvilket dramatisk reducerer den samlede effektivitet.

Målet for UC Riverside-holdene var at designe den enkleste fotocelle, der matcher mængden af ​​solenergi fra solen så tæt som muligt på det gennemsnitlige strømbehov og at undertrykke energiudsving for at undgå akkumulering af overskydende energi.

Forskerne sammenlignede de to enkleste kvantemekaniske fotocellesystemer:et, hvor fotocellen kun absorberede en enkelt farve lys, og den anden, hvor fotocellen absorberede to farver. De fandt ud af, at ved blot at inkorporere to fotonabsorberende kanaler, frem for kun én, reguleringen af ​​energiflowet opstår naturligt i fotocellen.

Det grundlæggende driftsprincip er, at en kanal absorberer ved en bølgelængde, for hvilken den gennemsnitlige indgangseffekt er høj, mens den anden absorberer ved lav effekt. Fotocellen skifter mellem høj og lav effekt for at konvertere varierende niveauer af solenergi til et steady-state output.

Da Gabors team anvendte disse simple modeller på det målte solspektrum på Jordens overflade, de opdagede, at absorptionen af ​​grønt lys, den mest strålende del af solenergispektret pr. bølgelængdeenhed, giver ingen lovgivningsmæssig fordel og bør derfor undgås. De optimerede systematisk fotocelleparametrene for at reducere solenergiudsving, og fandt ud af, at absorptionsspektret ser næsten identisk ud med det absorptionsspektrum, der observeres i fotosyntetiske grønne planter.

Resultaterne fik forskerne til at foreslå, at naturlig regulering af energi, de fandt i kvantevarmemotorens fotocelle, kan spille en afgørende rolle i fotosyntesen i planter, måske forklare overvægten af ​​grønne planter på Jorden.

Andre forskere har for nylig fundet ud af, at flere molekylære strukturer i planter, inklusive klorofyl a- og b-molekyler, kunne være afgørende for at forhindre ophobning af overskydende energi i planter, som kunne dræbe dem. UC Riverside-forskerne fandt ud af, at den molekylære struktur af den kvantevarmemotorfotocelle, de studerede, ligner meget strukturen af ​​fotosyntetiske molekyler, der inkorporerer klorofylpar.

Hypotesen opstillet af Gabor og hans team er den første, der forbinder kvantemekanisk struktur med planters grønne natur, og giver et klart sæt tests til forskere, der sigter mod at verificere naturlig regulering. Lige vigtigt, deres design tillader regulering uden aktiv input, en proces, der er muliggjort af fotocellens kvantemekaniske struktur.

Papiret hedder "Naturlig regulering af energiflow i en grøn kvantefotocelle."