Солнечные элементы следующего поколения, которые имитируют фотосинтез с биологическим материалом, могут придать новый смысл термину «зеленая технология». По словам международной группы исследователей, добавление белка бактериородопсина (bR) к перовскитным солнечным элементам повысило эффективность устройств в серии лабораторных испытаний.
«Эти результаты открывают двери для разработки более дешевой и экологически чистой технологии биоперовскитных солнечных элементов», - сказал Шашанк Прия, заместитель вице-президента по исследованиям и профессор материаловедения в Пенсильванском университете.«В будущем мы можем заменить некоторые дорогостоящие химические вещества внутри солнечных элементов относительно более дешевыми природными материалами».
Солнечные элементы на основе перовскита, названные в честь их уникальной кристаллической структуры, которая превосходно поглощает видимый свет, являются областью интенсивных исследований, поскольку они предлагают более эффективную и менее дорогую альтернативу традиционным солнечным технологиям на основе кремния.
Самые эффективные перовскитные солнечные батареи могут преобразовывать от 22 до 23 процентов солнечного света в электричество. Исследователи обнаружили, что добавление белка bR к перовскитным солнечным элементам повысило эффективность устройств с 14,5 до 17 процентов. Они сообщили о своих выводах в журнале Американского химического общества ACS Applied Materials and Interfaces..
Исследование представляет собой первый раз, когда ученые показали, что биологические материалы, добавленные к перовскитным солнечным элементам, могут обеспечить высокую эффективность. Исследователи заявили, что будущие исследования могут привести к созданию еще более эффективных биоперовскитовых материалов.
«Предыдущие исследования показали эффективность 8 или 9 процентов за счет смешивания определенных белков внутри структур солнечных элементов», - сказала Прия, соавтор исследования. «Но ничто не приблизилось к 17 процентам. Эти результаты очень важны».
Коммерческие солнечные батареи состоят из сотен или тысяч отдельных солнечных элементов, поэтому, по мнению исследователей, даже небольшое повышение эффективности может привести к реальной экономии.
Подражание природе
Опираясь на природу, исследователи стремились еще больше улучшить характеристики перовскитных солнечных элементов с помощью резонансной передачи энергии Фёрстера (FRET), механизма передачи энергии между парой светочувствительных молекул.
«Механизм FRET существует уже давно», - сказал Ренугопалакришнан Венкатесан, профессор Северо-восточного университета и Бостонской детской больницы Гарвардского университета и соавтор исследования.«Похоже, это основа фотосинтеза, и его можно найти в таких технологиях, как беспроводная передача энергии, и даже в животном мире в качестве механизма связи. Мы используем этот механизм, чтобы попытаться создать мир биологически вдохновленных систем. которые потенциально могут превзойти как неорганические, так и органические молекулы».
Белки bR и перовскитные материалы имеют сходные электрические свойства или ширину запрещенной зоны. Выровняв эти промежутки, ученые предположили, что они могут добиться лучшей производительности перовскитных солнечных элементов с помощью механизма FRET..
«Солнечные элементы работают, поглощая световую энергию или фотонные молекулы и создавая пары электрон-дырка», - сказал Субхабрата Дас, который участвовал в исследовании, будучи докторантом Колумбийского университета. «Отправляя электроны и дырки в противоположных направлениях, солнечные элементы генерируют электрический ток, который превращается в электричество».
Однако определенный процент электронно-дырочных пар рекомбинирует, уменьшая количество производимого тока. Смешивание белка bR с перовскитными солнечными элементами помогло электронно-дырочным парам лучше проходить через устройства, уменьшая рекомбинационные потери и повышая эффективность, говорят ученые..
Выводы потенциально могут иметь более серьезные последствия, что приведет к разработке других гибридных устройств, в которых искусственные и биологические материалы работают вместе, по мнению исследователей.