Zonnecellen van de volgende generatie die fotosynthese nabootsen met biologisch materiaal, kunnen een nieuwe betekenis geven aan de term 'groene technologie'. Het toevoegen van het eiwit bacteriorodopsine (bR) aan perovskiet-zonnecellen verhoogde de efficiëntie van de apparaten in een reeks laboratoriumtests, aldus een internationaal team van onderzoekers.

"Deze bevindingen openen de deur voor de ontwikkeling van een goedkopere, milieuvriendelijkere bioperovskiet-zonneceltechnologie, " zei Shashank Priya, associate vice-president voor onderzoek en hoogleraar materiaalkunde aan Penn State. "In de toekomst, we kunnen in wezen een aantal dure chemicaliën in zonnecellen vervangen door relatief goedkopere natuurlijke materialen."

Perovskiet zonnecellen, genoemd naar hun unieke kristalstructuren die uitblinken in het absorberen van zichtbaar licht, zijn een gebied van intensief onderzoek omdat ze een efficiënter en goedkoper alternatief bieden voor traditionele op silicium gebaseerde zonnetechnologie.

De meest efficiënte perovskiet-zonnecellen kunnen 22 tot 23 procent van het zonlicht omzetten in elektriciteit. De onderzoekers ontdekten dat het toevoegen van het bR-eiwit aan perovskiet-zonnecellen de efficiëntie van de apparaten verbeterde van 14,5 tot 17 procent. Ze rapporteerden hun bevindingen in het tijdschrift American Chemical Society ACS toegepaste materialen en interfaces .

Het onderzoek is de eerste keer dat wetenschappers hebben aangetoond dat biologische materialen die aan perovskiet-zonnecellen worden toegevoegd, een hoog rendement kunnen bieden. Toekomstig onderzoek zou kunnen resulteren in nog efficiëntere bioperovskietmaterialen, aldus de onderzoekers.

"Eerdere studies hebben een efficiëntie van 8 of 9 procent bereikt door bepaalde eiwitten in zonnecelstructuren te mengen, " zei Priya, een co-hoofdauteur van de studie. "Maar niets is in de buurt van 17 procent gekomen. Deze bevindingen zijn erg belangrijk."

Commerciële zonnepanelen bestaan ​​uit honderden of duizenden individuele zonnecellen, dus zelfs kleine verbeteringen in efficiëntie kunnen leiden tot echte besparingen, volgens de onderzoekers.

De natuur nabootsen

Tekenen op de natuur, de onderzoekers probeerden de prestaties van perovskiet-zonnecellen verder te verbeteren door middel van Förster Resonance Energy Transfer (FRET), een mechanisme voor energieoverdracht tussen een paar lichtgevoelige moleculen.

"Het FRET-mechanisme bestaat al heel lang, " zei Renugopalakrishnan Venkatesan, professor aan de Northeastern University en het Boston Children's Hospital, Harvard universiteit, en co-hoofdauteur van het onderzoek. "Het lijkt de basis van fotosynthese te zijn en is te vinden in technologieën zoals de draadloze overdracht van energie, en zelfs in de dierenwereld als een mechanisme voor communicatie. We gebruiken dit mechanisme om te proberen een wereld van bio-geïnspireerde systemen te creëren die de potentie hebben om anorganische of organische moleculen te overtreffen."

De bR-eiwitten en perovskietmaterialen hebben vergelijkbare elektrische eigenschappen, of bandhiaten. Door deze lacunes op elkaar af te stemmen, de wetenschappers veronderstelden dat ze via het FRET-mechanisme betere prestaties zouden kunnen bereiken in perovskiet-zonnecellen.

"Zonnecellen werken door lichtenergie te absorberen, of fotonmoleculen en het creëren van elektron-gatparen, " zei Subhabrata Das, die deelnamen aan het onderzoek tijdens een doctoraatsstudent aan de Columbia University. "Door de elektronen en gaten in tegengestelde richtingen te sturen, zonnecellen genereren een elektrische stroom die wordt omgezet in elektriciteit."

Echter, een bepaald percentage van de elektron-gatparen recombineert, vermindering van de hoeveelheid geproduceerde stroom. Door het bR-eiwit in perovskiet-zonnecellen te mengen, konden elektronen-gatparen beter door de apparaten bewegen, het verminderen van recombinatieverliezen en het verhogen van de efficiëntie, zeiden de wetenschappers.

De bevindingen kunnen mogelijk grotere gevolgen hebben, leidend tot het ontwerp van andere hybride apparaten waarin kunstmatige en biologische materialen samenwerken, volgens de onderzoekers.