生物材料提高了太陽能電池的性能

用生物材料模擬光合作用的下一代太陽能電池可能給“綠色技術(shù)”一詞賦予新的含義。國際研究團隊稱，在一系列鈣鈦礦型鈣鈦礦太陽能電池中添加細菌視紫紅質(zhì)(bR)蛋白可提高該裝置的效率。

賓夕法尼亞州立大學(xué)研究副總裁兼材料科學(xué)教授Shashank Priya說：“這些發(fā)現(xiàn)為開發(fā)更便宜，更環(huán)保的生物鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)打開了大門。” “將來，我們可能會用相對便宜的天然材料來代替太陽能電池內(nèi)部的一些昂貴化學(xué)物質(zhì)。”

鈣鈦礦太陽能電池以其獨特的晶體結(jié)構(gòu)而著稱，該晶體結(jié)構(gòu)擅長吸收可見光，因其提供了比傳統(tǒng)的基于硅的太陽能技術(shù)更高效，更便宜的替代方案，因此受到了廣泛研究。

鈣鈦礦效率最高的太陽能電池可以將22%到23%的陽光轉(zhuǎn)化為電能。研究人員發(fā)現(xiàn)，向鈣鈦礦太陽能電池中添加bR蛋白可將設(shè)備的效率從14.5%提高到17%。他們在美國化學(xué)學(xué)會雜志ACS Applied Materials and Interfaces中報告了他們的發(fā)現(xiàn)。

該研究代表科學(xué)家首次表明，將鈣鈦礦型太陽能電池中添加的生物材料具有很高的效率。研究人員說，未來的研究可能會產(chǎn)生更有效的生物鈣鈦礦材料。

該研究的共同主要作者Priya說：“先前的研究通過在太陽能電池結(jié)構(gòu)內(nèi)部混合某些蛋白質(zhì)而達到了8%或9%的效率。” “但是沒有什么東西接近17%。這些發(fā)現(xiàn)非常重要。”

研究人員說，商用太陽能電池陣列由成百上千個單獨的太陽能電池組成，因此即使效率的微小提高也可以帶來真正的節(jié)省。

模仿自然

利用自然，研究人員試圖通過福斯特共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)(一種在一對光敏分子之間進行能量轉(zhuǎn)移的機制)進一步改善鈣鈦礦太陽能電池的性能。

東北大學(xué)和哈佛大學(xué)波士頓兒童醫(yī)院教授，該研究的第一作者，作者Renugopalakrishnan Venkatesan說：“ FRET機制已經(jīng)存在了很長時間。” “它似乎是光合作用的基礎(chǔ)，并且可以在諸如能量無線傳輸?shù)募夹g(shù)中找到，甚至在動物世界中也可以作為一種通信機制。我們正在使用這種機制來嘗試創(chuàng)建一個由生物啟發(fā)的系統(tǒng)世界具有超越無機或有機分子的潛力。”

bR蛋白和鈣鈦礦材料具有相似的電性能或帶隙。通過彌補這些差距，科學(xué)家們推測它們可以通過FRET機制在鈣鈦礦太陽能電池中實現(xiàn)更好的性能。

哥倫比亞大學(xué)的博士生Subhabrata Das說：“太陽能電池通過吸收光能或光子分子并產(chǎn)生電子-空穴對來工作。” “通過向相反方向發(fā)送電子和空穴，太陽能電池產(chǎn)生的電流會轉(zhuǎn)化為電能。”

但是，一定百分比的電子-空穴對會復(fù)合，從而減少了產(chǎn)生的電流量?？茖W(xué)家說，將bR蛋白混入鈣鈦礦型太陽能電池中有助于電子-空穴對更好地穿過該器件，從而減少了重組損失并提高了效率。

研究人員說，這些發(fā)現(xiàn)可能會產(chǎn)生更大的后果，從而導(dǎo)致設(shè)計其他混合裝置，在這些混合裝置中人造和生物材料可以協(xié)同工作。