КПД биогибридных солнечных батарей удалось увеличить в 2,5 раза

В Университете Вандербильта (штат Теннеси) нашли способ, как наиболее эффективно совместить фотосинтезирующий белок с кремнием. Созданная ими конструкция биогибридной солнечной ячейки значительно превосходит по генерируемому току все известные прежде прототипы.

Более 40 лет назад ученые открыли, что один из белков, участвующих в процессе фотосинтеза, называемый Photosystem 1 (PS1), способен продолжать функционировать самостоятельно, будучи экстрагированным из растений. Эффективность преобразования солнечной энергии у PS1 близка к 100%, поэтому в многочисленных исследованиях ученые пытаются улучшить с помощью этого протеина имеющиеся солнечные батареи, КПД которых не превосходит 40%. Еще одно преимущество биогибридных ячеек в том, что в их конструкции не используются редкие и дорогостоящие материалы, такие как платина или индий.

Однако, почти за полстолетия ученым так и не удалось создать на базе PS1 батареи с эффективностью, хотя бы приближающейся к уровню коммерческих солнечных элементов.

Отдельной проблемой является стабильность – в ранних экспериментах белок в ячейках терял свои свойства через несколько недель. В 2010 г. команде из Университета Вандербильта удалось довести время эксплуатации до 9 месяцев, однако в природе, например, в хвойных растениях, PS1 работает многие годы.

Новое разработанное ими устройство выдает 850 микроампер на квадратный сантиметр при напряжении 0,3 В. Это примерно в 2,5 раза превосходит по величине тока лучший результат, достигнутый до сих пор для биогибридной ячейки.

Для изготовления образца ученые выделили PS1 из шпината в водный раствор и нанесли его на поверхность полупроводника, легированного атомами с положительным зарядом. Затем, в вакуумной камере, вода выпарилась из раствора оставив на полупроводнике протеиновую пленку. Оптимальная толщина белка, определенная экспериментально, составляла около одного микрона, это примерно 100 молекул PS1.

При падении света на PS1 белок поглощает энергию фотонов используя ее для высвобождения электронов. Они собираются на одной стороне молекулы, а носители положительного заряда «дырки» транспортируются на другую. В растениях молекулы PS1 расположены упорядоченно, но в протеиновом слое солнечной батареи у них ориентация произвольная. Таким образом, если подложка металлическая, то на нее переходит как положительный, так и отрицательный заряды. Они взаимно компенсируются, что и приводит к снижению эффективности гибридных ячеек.

Легированный полупроводник устраняет эту проблему, поскольку блокирует поступление свободных электронов из белка, разрешая току течь в другом направлении. Участники проекта хотя и признают, что этот метод уступает по эффективности выравниванию молекул, но отмечают, что это лучшее, чего удалось кому-либо добиться до сих пор.

Об этом достижении сообщается в онлайновом выпуске Advanced Materials от 4 сентября.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365