Исследователи из Кембриджский университет.
По мере увеличения населения планеты растет и потребность в энергии. Угроза изменения климата означает, что существует острая необходимость в поиске более чистых, возобновляемых альтернатив ископаемому топливу, которые не производят большого количества парниковых газов с потенциально разрушительными последствиями для нашей экосистемы. Солнечная энергия считается особенно привлекательным источником, поскольку в среднем Земля получает примерно в 10 000 раз больше энергии от солнца в данный момент времени, чем требуется для потребления человеком.
В последние годы, в дополнение к синтетическим фотоэлектрическим устройствам, биофотоэлектрические элементы (BPV, также известные как биологические солнечные элементы) появились как экологически чистый и недорогой подход к сбору солнечной энергии и преобразованию ее в электрический ток.. Эти солнечные элементы используют фотосинтетические свойства микроорганизмов, таких как водоросли, для преобразования света в электрический ток, который можно использовать для производства электроэнергии.
Во время фотосинтеза водоросли производят электроны, часть которых экспортируется за пределы клетки, где они могут обеспечивать электрический ток для питания устройств. На сегодняшний день все продемонстрированные BPV имеют зарядку (сбор света и генерацию электронов) и подачу энергии (передачу на электрическую цепь) в одном отсеке; электроны генерируют ток, как только они были секретированы.
В новой методике, описанной в журнале Nature Energy, исследователи из отделов биохимии, химии и физики совместно разработали двухкамерную систему BPV, в которой два основных процесса участвуют в работе солнечного элемента: генерация электронов и преобразование их в энергию - разделены.
«Требования к зарядке и подаче энергии часто противоречат друг другу, - объясняет Кади Лийс Саар из химического факультета. «Например, зарядное устройство должно подвергаться воздействию солнечного света, чтобы обеспечить эффективную зарядку, в то время как часть подачи энергии не требует воздействия света, но должна эффективно преобразовывать электроны в ток с минимальными потерями».
Построение двухкамерной системы позволило исследователям разработать два блока независимо друг от друга и за счет этого одновременно оптимизировать производительность процессов.
«Разделение зарядки и подачи энергии означало, что мы смогли повысить производительность блока подачи энергии за счет миниатюризации», - объясняет профессор Туомас Ноулз с химического факультета и Кавендишской лаборатории.«В миниатюрных масштабах жидкости ведут себя совершенно по-разному, что позволяет нам проектировать более эффективные ячейки с более низким внутренним сопротивлением и меньшими электрическими потерями».
Команда использовала водоросли, которые были генетически модифицированы, чтобы нести мутации, которые позволяют клеткам минимизировать количество электрического заряда, рассеиваемого непродуктивно во время фотосинтеза. Вместе с новой конструкцией это позволило исследователям построить биофотоэлектрический элемент с плотностью мощности 0,5 Вт/м2, что в пять раз больше, чем у их предыдущей конструкции. Хотя это по-прежнему лишь около одной десятой плотности мощности, обеспечиваемой обычными солнечными топливными элементами, у этих новых BPV есть несколько привлекательных особенностей, говорят они.
«Хотя обычные солнечные элементы на основе кремния более эффективны, чем элементы, питаемые водорослями, в части солнечной энергии, которую они превращают в электрическую энергию, существуют привлекательные возможности с другими типами материалов», - говорит профессор Кристофер Хоу из кафедрой биохимии.«В частности, поскольку водоросли растут и делятся естественным образом, системы на их основе могут требовать меньших затрат энергии и могут производиться децентрализованным способом».
Разделение компонентов генерации и хранения энергии имеет и другие преимущества, говорят исследователи. Заряд можно сохранить, а не сразу использовать - это означает, что заряд может быть сгенерирован днем, а затем использован ночью.
Хотя топливные элементы, работающие на водорослях, вряд ли будут генерировать достаточно электроэнергии для энергосистемы, они могут быть особенно полезны в таких районах, как сельская Африка, где много солнечного света, но нет существующей системы электросетей. Кроме того, в то время как синтетические фотоэлектрические элементы на основе полупроводников обычно производятся на специализированных предприятиях вдали от места их использования, производство BPV может осуществляться непосредственно местным сообществом, говорят исследователи..
«Это большой шаг вперед в поиске альтернативных, более экологичных видов топлива», - говорит доктор Паоло Бомбелли из отдела биохимии. «Мы считаем, что эти разработки приблизит системы на основе водорослей к практической реализации».