Биогибридные солнечные батареи – новый импульс «шпинатной» энергии

Источник: phys.org

Междисциплинарная команда исследователей Университета Вандербильта (США) разработала дизайн солнечной батареи, объединяющей фотосинтетический белок и легированный кремний. Мощность нового устройства гораздо выше, чем у предыдущих вариантов биогибридных батарей. Как заявил соавтор проекта адъюнкт-профессор химии Дэвид Клиффел, сейчас батарея производит 850 мкА тока на 1 квадратный сантиметр, при напряжении 0,3 В. Но в перспективе мощность устройства может достичь 100 мА на 1 В — этого вполне достаточно для питания целого ряда миниатюрных электроприборов. О белке под названием PS1, который присутствует во многих растениях и участвует в фотосинтезе, стало известно более 40 лет назад. Этот протеин преобразует солнечный свет в электричество практически со 100% эффективностью, и продолжает функционировать после извлечения из растений (в частности, шпината). Неудивительно, что многочисленные исследовательские группы пытались использовать PS1 для создания эффективных солнечных батарей. Но большинство опытов по нанесению белка на металлическую подложку не привели к успеху — количество получаемой энергии было слишком мало.

Кроме того, инженеры столкнулись с проблемой долговечности — в некоторых ранних прототипах протеин разрушался уже после нескольких недель работы. Но еще в 2010 году специалисты университета Вандербильта смогли построить батареи, которые работали 9 месяцев без ухудшения производительности. Природа знает секрет устойчивости PS1 — в некоторых вечнозеленых растениях он может существовать в течение многих лет. Ученым удалось догадаться, как сделать это самим. Новое комбинированное устройство работает так хорошо потому, что электрические свойства подложки были модифицированы для работы с молекулами PS1. Кремний легировали положительно заряженными атомами, в итоге получился материал с p-проводимостью. Батарея создается при помощи такой технологии: на р-легированную пластину кремния выливается водный раствор протеина. Затем пластина помещается в вакуумную камеру, вода выпаривается с ее поверхности, и остается тонкая белковая пленка (примерно 1 микрон, или 100 молекул толщиной). Когда белок подвергается воздействию света, он поглощает энергию фотона и производит свободные электроны, перемещающиеся вдоль пленки в одну сторону. Появляется регион с положительным зарядом, носители которого — «дырки» — двигаются в обратную сторону. В итоге возникает электрический ток.

В листе растения все молекулы PS1 расположены в строгом порядке. Но в белковой пленке молекулы ориентированы случайным образом. Когда протеин осаждается на металлической подложке, часть молекул, ориентированных в одном направлении, производит электроны, которые мигрируют в металл. Другие молекулы, ориентированные в противоположном направлении, вытягивают электроны из металла, чтобы заполнить свои собственные «дырки». В итоге возникают как положительные, так и отрицательные токи, которые компенсируют друг друга. Остается очень небольшой чистый ток. Р-легированный кремний устраняет эту проблему, так как позволяет электронам течь только в одном направлении. Как поясняет еще один участник исследования профессор Кейн Дженнингс, такая система уступает по эффективности природной. Но все-таки она намного лучше предыдущих разработок. Главное преимущество биогибридных решений — они могут быть сделаны из дешевых и легкодоступных материалов. PS1 может быть извлечен не только из шпината, но и из большинства других растений. А производство многих микроэлектронных солнечных элементов невозможно без редких и дорогих материалов, типа платины или индия.