Гибридная наноструктура обещает повысить эффективность сбора света

Растения и некоторые виды бактерий зависят от белкового комплекса, собирающего свет, состоящего из молекул, известных как хромофоры, для поглощения входящего солнечного света. Этот комплекс направляет солнечную энергию в реакционный центр фотосинтеза, где он превращается в химическую энергию для управления метаболическими процессами.

Минсин Ли (сидит) и Мирча Котлет (слева) из Центра функциональных наноматериалов в Брукхейвенской лаборатории и Цзя-Шян Чен из Отдела материаловедения и химической инженерии Университета Стони-Брук использовали самосборку Техника, основанная на взаимодействиях между электрически заряженными частицами (притяжение противоположных зарядов; подобно отталкиванию зарядов) для создания «наногибридной» структуры, которая содержит как биологически полученные, так и неживые материалы. По сравнению с негибридными аналогами, наногибрид демонстрирует повышенную эффективность передачи энергии и фотореагирование, или реакцию на свет – идеальные характеристики для применений солнечных элементов. (Изображение предоставлено: Брукхейвенская национальная лаборатория)

Вдохновленные этой архитектурой, обнаруженной в природе, исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Университета Стони Брук (SBU) создали наногибридную структуру, которая состоит из биологически полученных (биотических) и неорганических (абиотических) ) материалы. Собирающий свет белок из цианобактерий, двумерный (2D) полупроводниковый переходный металл толщиной всего в один атомный слой и полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки) были объединены командой.

Эта наноструктура может быть использована для повышения эффективности, с которой солнечные элементы собирают энергию от солнца. Детали новой наноструктуры были опубликованы в выпуске ACS Photonics – журнала Американского химического общества (ACS).

« Лучшие на сегодняшний день 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 », – говорит соответствующий автор Мирча Котлет, ученый-материаловед в Группе мягких и биологических наноматериалов в Центре функциональных наноматериалов (CFN) Брукхейвенской лаборатории – Учебное заведение Министерства образования США. « Если эту эффективность можно повысить, можно генерировать больше электроэнергии. Собранный биотически-абиотический наногибрид демонстрирует улучшенный сбор света и генерацию носителей электрического заряда по сравнению с 2D-структурой, предназначенной только для полупроводников. Эти свойства увеличивают реакцию наногибрида на свет, когда структура встроена в полевой транзистор (FET), своего рода оптоэлектронное устройство ».

При создании наногибрида исследователи выбрали атомарно тонкий двумерный диселенид молибдена (MoSe 2 ) в качестве основного материала для сборки снизу вверх. В основном, полупроводник, MoSe 2 – это материал, электрическая проводимость которого находится между обычной проводником (небольшое сопротивление движению электрического тока) и изолятором (высокое сопротивление). Они интегрировали MoSe 2 с двумя мощными светозаборными наноматериалами: квантовыми точками (КТ) и белком аллофикоцианином (АРС) из цианобактерий.

Исследователи выбрали компоненты в соответствии с их свойствами сбора света и спроектировали запрещенные зоны компонентов (минимальная энергия, необходимая для возбуждения электрона для участия в проводимости) так, чтобы согласованная ступенчатая передача энергии могла быть обеспечена посредством наногибрида в направленная манера. В гибриде энергия перемещается от возбужденных светом КТ к белку АРС, а затем к MoSe 2 . Эта передача энергии имитирует естественные системы сбора света, в которых поверхностные хромофоры (здесь КТ) поглощают свет и направляют собранную энергию в промежуточные хромофоры (здесь APC) и, наконец, в реакционный центр (здесь MoSe 2 ).

Чтобы объединить различные компоненты, исследователи применили электростатическую самосборку, метод, основанный на взаимодействиях между электрически заряженными частицами (противоположные заряды притягиваются; идентичные заряды отталкиваются). Затем они использовали специальный оптический микроскоп для исследования передачи энергии через наногибриды. Эти измерения показали, что включение белкового слоя APC повышает эффективность передачи энергии наногибрида, имеющего однослойный MoSe 2 на 30%.

Они также измерили фотоответ наногибрида, добавленного в изготовленный полевой транзистор, и выяснили, что он проявляет максимальную чувствительность по сравнению с полевинными транзисторами, имеющими только один из компонентов, генерируя более чем в два раза больше фототока в ответ на поступающий свет.

Больше света передается в MoSe 2 в биотически-абиотическом гибриде. Повышенная светопередача в сочетании с высокой подвижностью носителей заряда в MoSe 2 означает, что электроды в устройстве на солнечных элементах будут собирать больше носителей. Эта комбинация является перспективной для повышения эффективности устройства .

Mingxing Li, первый автор и научный сотрудник, Soft and Bio Nanomaterials Group, CFN, Brookhaven Lab

Ли работает с Котлет. Исследователи предположили, что включение APC между КТ и MoSe 2 формирует «воронкообразный» эффект передачи энергии из-за того, что APC выгодно позиционирует себя относительно MoSe 2 .

Мы полагаем, что это исследование представляет собой одну из первых демонстраций каскадного биотиабиотического наногибрида с участием 2D полупроводника переходного металла. В последующем исследовании мы будем работать с теоретиками, чтобы глубже понять механизм, лежащий в основе этой улучшенной передачи энергии, и определить его применения в сборе энергии и биоэлектронике .

Mingxing Li, первый автор и научный сотрудник, Soft and Bio Nanomaterials Group, CFN, Brookhaven Lab

Соавтор Цзя-Шян Чен, аспирант СБУ, участвовал в исследовании и выражает признательность за поддержку со стороны исследовательской программы аспирантуры Департамента науки Министерства энергетики США.

Source link