Естественный процесс, происходящий во время фотосинтеза, может привести к разработке более эффективных искусственных солнечных батарей, считают исследователи из Университета штата Джорджия.
Во время фотосинтеза растения и другие организмы, такие как водоросли и цианобактерии, преобразуют солнечную энергию в химическую энергию, которую впоследствии можно использовать в качестве топлива для деятельности. У растений световая энергия солнца заставляет электрон быстро перемещаться по клеточной мембране. В искусственных солнечных элементах электрон часто возвращается в исходную точку, а захваченная солнечная энергия теряется. В растениях электрон практически никогда не возвращается в исходную точку, поэтому улавливание солнечной энергии в растениях так эффективно. Процесс, называемый переносом электрона в инвертированной области, может способствовать ингибированию этого «обратного переноса электрона».
Результаты этого исследования, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, предоставляют количественные доказательства того, что перенос электронов в инвертированной области ответственен за очень высокую эффективность, связанную с преобразованием солнечной энергии в процессе фотосинтеза.
Теоретическая работа над этим явлением принесла доктору Рудольфу Маркусу Нобелевскую премию по химии 1992 года, но до сих пор механизм не был продемонстрирован в естественных фотосинтетических системах. Исследователи изучили фотосинтетические реакционные центры пресноводных цианобактерий Synechocystis, которые обладают теми же механизмами фотосинтеза, что и растения.
«Мы смогли впервые обнаружить существование механизма, изобретя метод, позволяющий нам успешно проводить требуемые сложные эксперименты», - сказал д-р Гэри Гастингс, ведущий автор и профессор кафедры Физика и астрономия в штате Джорджия. «Наши результаты указывают на новые подходы к разработке искусственных солнечных элементов, которые можно использовать, например, для производства газообразного водорода, который можно использовать в качестве чистого и возобновляемого топлива».
Солнечная энергия, самый чистый и распространенный возобновляемый источник энергии, может быть преобразована в тепловую, химическую или электрическую энергию. По словам Гастингса, используя и преобразуя крошечную долю солнечной энергии, которая ежегодно падает на Землю, можно утолить растущую потребность людей в энергии. По данным Ассоциации производителей солнечной энергии, индустрия рынка солнечной энергии в Соединенных Штатах работает над расширением производства солнечных технологий и снижением затрат, но сталкивается с некоторыми проблемами.
«Растения сверхэффективно преобразуют солнечную энергию, значительно более эффективно, чем любой искусственный солнечный элемент», - сказал Гастингс. «В процессе фотосинтеза проникает свет, электрон проходит через мембрану и не возвращается обратно. Большая проблема с искусственными системами заключается в том, что большую часть времени электрон действительно возвращается. преобразование солнечной энергии.
Детали, лежащие в основе эффективного преобразования солнечной энергии в установках, плохо изучены. Это прискорбно, так как подробные знания в этой области важны для помощи в поисках экономически жизнеспособных искусственных преобразователей солнечной энергии. Наша работа выявила одну конструкцию принцип, который играет роль в эффективном преобразовании солнечной энергии в растениях, и есть надежда, что этот принцип можно будет использовать при разработке новых и более совершенных типов искусственных солнечных элементов».