Чтобы поглощать поступающий солнечный свет, растения и некоторые виды бактерий полагаются на светособирающий белковый комплекс, содержащий молекулы, называемые хромофорами. Этот комплекс направляет солнечную энергию в реакционный центр фотосинтеза, где она преобразуется в химическую энергию для метаболических процессов.
Вдохновленные этой архитектурой, найденной в природе, ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Университета Стоуни-Брук (SBU) собрали наногибридную структуру, которая содержит как биологически полученные (биотические), так и неорганические вещества. (абиотические) вещества. Они объединили светособирающий белок из цианобактерий, полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки) и двумерный (2-D) полупроводниковый переходный металл толщиной всего в один атомный слой. Описанная в статье, опубликованной 29 апреля в ACS Photonics - журнале Американского химического общества (ACS), - эта наноструктура может быть использована для повышения эффективности сбора солнечной энергии солнечными элементами.
«Сегодняшние солнечные панели могут преобразовывать почти 23 процента солнечного света, который они поглощают, в электричество, но в среднем их эффективность колеблется от 15 до 18 процентов», - сказал соответствующий автор Мирча Котлет, ученый-материаловед в Soft and Группа бионаноматериалов в Брукхейвенском лабораторном центре функциональных наноматериалов (CFN) - исследовательском центре Министерства энергетики США. «Если эту эффективность можно повысить, можно будет генерировать больше электроэнергии. Собранный биотико-абиотический наногибрид показывает улучшенный сбор света и генерацию носителей электрического заряда по сравнению с двумерной полупроводниковой структурой. Эти свойства увеличивают реакцию наногибрида на свет, когда структура встроена в полевой транзистор (FET), своего рода оптоэлектронное устройство».
При разработке наногибрида ученые выбрали атомарно тонкий двумерный диселенид молибдена (MoSe2) в качестве платформы для сборки снизу вверх. Диселенид молибдена представляет собой полупроводник или материал, электрическая проводимость которого находится между обычным проводником (малое сопротивление потоку электрического тока) и изолятором (высокое сопротивление). Они объединили MoSe2 с двумя сильными светособирающими наноматериалами: квантовыми точками (КТ) и белком аллофикоцианина (APC) из цианобактерий.
Ученые выбрали компоненты на основе их светособирающих свойств и спроектировали ширину запрещенной зоны компонентов (минимальную энергию, необходимую для возбуждения электрона для участия в проводимости) таким образом, чтобы можно было способствовать согласованной ступенчатой передаче энергии через наногибрид. направленным образом. В гибриде энергия перетекает от возбуждаемых светом КТ к белку APC, а затем к MoSe2. Этот перенос энергии имитирует естественные светособирающие системы, в которых поверхностные хромофоры (в данном случае КТ) поглощают свет и направляют собранную энергию на промежуточные хромофоры (здесь, APC) и, наконец, в реакционный центр (здесь, MoSe2).
Чтобы объединить различные компоненты, ученые применили электростатическую самосборку, технику, основанную на взаимодействии между электрически заряженными частицами (разноименные заряды притягиваются, одинаковые отталкиваются). Затем они использовали специализированный оптический микроскоп для исследования передачи энергии через наногибриды. Эти измерения показали, что добавление слоя белка APC увеличивает эффективность передачи энергии наногибрида с однослойным MoSe2 на 30 процентов. Они также измерили фотоотклик наногибрида, включенного в изготовленный полевой транзистор, и обнаружили, что он показал наибольшую чувствительность по сравнению с полевыми транзисторами, содержащими только один из компонентов, производя более чем вдвое большее количество фототока в ответ на падающий свет.
«Больше света передается MoSe2 в биотико-абиотическом гибриде», - сказал первый автор и научный сотрудник Минсин Ли, который работает с Котлет в группе CFN Soft и Bio Nanomaterials. «Увеличение переноса света в сочетании с высокой подвижностью носителей заряда в MoSe2 означает, что больше носителей будет собираться электродами в устройстве с солнечным элементом. Эта комбинация обещает повысить эффективность устройства».
Ученые предположили, что добавление APC между квантовыми точками и MoSe2 создает «воронкообразный» эффект передачи энергии из-за того, что APC предпочтительно ориентируется относительно MoSe2.
«Мы считаем, что это исследование представляет собой одну из первых демонстраций каскадного биотико-абиотического наногибрида с участием двумерного полупроводника из переходных металлов», - сказал Ли. «В последующем исследовании мы будем работать с теоретиками, чтобы более глубоко понять механизм, лежащий в основе этой усиленной передачи энергии, и определить его применение в сборе энергии и биоэлектронике."