На сегодняшний день солнечная батарея – это объединение фотоэлектрических преобразователей на основе полупроводников, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток. При этом, несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, что делает производство и утилизацию батарей довольно вредным для экологии предприятием.
Ученые из МИФИ предложили альтернативу такому подходу к производству солнечных батарей, разработав новый гибридный материал на стыке биологии, химии и физики. В основе необычных свойств этого материала лежат особенности светочувствительных белков под названием «бактериородопсин» и квантовых точек – ограниченных в пространстве квантовых систем, о которых я уже довольно подробно писал ранее.
У одноклеточных микроорганизмов, относящихся к Археям, бактериородопсины выполняют ту же функцию, что и хлорофилл у других организмов. Они так же участвуют в преобразовании энергии солнечного света в энергию химических связей, удаляя из клетки катионы водорода, среди физиков больше известные как положительно заряженные частицы – протоны) В результате протоны копятся на внешней поверхности клетки, а внутри создается отрицательный заряд. Вместе эти два заряда по обе стороны стенки клетки создают электрохимический потенциал. Получается своеобразный электроконденсатор, в котором клетка запасает энергию. Для того чтобы перенести протон сквозь стенку, необходимо потратить энергию. Вот тут на сцену и выходит бактериородопсин, который способен поглотить энергию света и за ее счет перенести протон. При этом в отличие от хлорофилла, бактериородопсин отличается высокой химической, термической и оптической стабильностью.
Как водится, есть и существенный недостаток: бактериородопсин способен эффективно поглощать свет только в очень узком диапазоне энергий. Чтобы решить эту проблему, ученые использовали квантовые точки, чьими свойствами можно манипулировать и подгонять под нужные значения. Задача квантовых точек состоит в том, чтобы сконцентрировать в себе энергию света из значительно более широкого диапазона и передать ее бактериородопсину в подходящем ему формате без побочного излучения, активируя перенос протонов. И как следствие, с подпиткой от квантовых точек бактериородопсин способен работать при значительно более низком уровне освещенности, чем в естественных условиях.
Чтобы реализовать такую схему, сначала ученые создали методами химического синтеза квантовые точки. Затем они покрыли слой квантовых точек молекулами, делающими его поверхность биосовместимой, и соединили ее с поверхностью мембран Археев Halobacterium salinarum. Кроме того эти молекулы несут на себе заряд, который и переносят бактериородопсины, создавая электрический ток. В результате были получены гибридные комплексы с очень высокой (около 80%) эффективностью передачи энергии от квантовых точек к бактериородопсину в нужном ему формате.
По мнению исследователей, полученные результаты имеют потенциал применения при создании высокоэффективных светочувствительных элементов на основе биоструктур, которые можно было бы использовать в производстве солнечных батареей нового типа. При этом очень высокое качество гибридного материала означает возможность в перспективе обойти лучшие на сегодня коммерческие образцы, сохраняя при этом большой задел для дальнейшего увеличения эффективности.
Удивительный синтез знаний из разных отраслей науки и замечательный, технологичный результат. Возможно, в будущем именно такие материалы позволят строить мощные солнечные батареи с минимумом вреда для экологии при их производстве и утилизации.
Victor Krivenkov et al. Remarkably enhanced photoelectrical efficiency of bacteriorhodopsin in quantum dot – Purple membrane complexes under two-photon excitation, Biosensors and Bioelectronics (2019). DOI: 10.1016/j.bios.2019.05.009
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.