Om binnenkomend zonlicht te absorberen, planten en bepaalde soorten bacteriën zijn afhankelijk van een licht-oogstend eiwitcomplex dat moleculen bevat die chromoforen worden genoemd. Dit complex leidt zonne-energie naar het fotosynthetische reactiecentrum, waar het wordt omgezet in chemische energie voor metabolische processen.

Geïnspireerd door deze in de natuur gevonden architectuur, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de Stony Brook University (SBU) hebben een nanohybride structuur samengesteld die zowel biologisch afgeleide (biotische) als anorganische (abiotische) materialen bevat. Ze combineerden een licht oogstend eiwit van cyanobacteriën, halfgeleidende nanokristallen (quantum dots), en een tweedimensionaal (2-D) halfgeleidend overgangsmetaal van slechts één atoomlaag dik. Beschreven in een paper gepubliceerd op 29 april in ACS Fotonica - een tijdschrift van de American Chemical Society (ACS) - deze nanostructuur zou kunnen worden gebruikt om de efficiëntie te verbeteren waarmee zonnecellen energie van de zon oogsten.

"De beste zonnepanelen van vandaag kunnen bijna 23 procent van het zonlicht dat ze absorberen omzetten in elektriciteit, maar gemiddeld hun efficiëntie varieert tussen 15 en 18 procent, " zei corresponderende auteur Mircea Cotlet, een materiaalwetenschapper in de Soft and Bio Nanomaterials Group in Brookhaven Lab's Centre for Functional Nanomaterials (CFN) - een DOE Office of Science User Facility. "Als deze efficiëntie kan worden vergroot, meer elektriciteit kan worden opgewekt. De geassembleerde biotisch-abiotische nanohybride toont verbeterde oogst van licht en generatie van elektrische ladingsdragers in vergelijking met de 2-D-structuur met alleen halfgeleiders. Deze eigenschappen verhogen de reactie van de nanohybride op licht wanneer de structuur wordt opgenomen in een veldeffecttransistor (FET), een soort opto-elektronisch apparaat."

Bij het ontwerpen van de nanohybride, de wetenschappers kozen voor atomair dunne 2-D molybdeendiselenide (MoSe ₂ ) als platform voor bottom-up montage. Molybdeendiselenide is een halfgeleider, of een materiaal waarvan de elektrische geleidbaarheid ligt tussen die van een gewone geleider (weinig weerstand tegen de stroom van elektrische stroom) en isolator (hoge weerstand). Ze combineerden MoSe ₂ met twee sterke licht-oogstende nanomaterialen:quantum dots (QD's) en het allofycocyanine (APC) eiwit van cyanobacteriën.

De wetenschappers kozen de componenten op basis van hun licht-oogst-eigenschappen en ontwierpen de bandgaps van de componenten (minimale energie die nodig is om een ​​elektron te exciteren om deel te nemen aan geleiding) zodat een gecoördineerde stapsgewijze energieoverdracht op een gerichte manier door de nanohybride kan worden bevorderd. Bij de hybride energie stroomt van door licht opgewekte QD's naar het APC-eiwit en vervolgens naar MoSe ₂ . Deze energieoverdracht bootst natuurlijke lichtoogstsystemen na waarbij oppervlaktechromoforen (in dit geval QD's) absorberen licht en leiden de geoogste energie naar tussenliggende chromoforen (hier, APC) en ten slotte naar het reactiecentrum (hier, MoSe ₂ ).

Om de verschillende componenten te combineren, de wetenschappers pasten elektrostatische zelfassemblage toe, een techniek die gebaseerd is op de interacties tussen elektrisch geladen deeltjes (tegengestelde ladingen trekken aan; gelijke ladingen stoten af). Vervolgens gebruikten ze een gespecialiseerde optische microscoop om de overdracht van energie door de nanohybriden te onderzoeken. Uit deze metingen bleek dat de toevoeging van de APC-eiwitlaag de energieoverdrachtsefficiëntie van de nanohybride met enkellaags MoSe2 met 30 procent verhoogt. Ze maten ook de fotorespons van de nanohybride die was ingebouwd in een gefabriceerde FET en ontdekten dat deze de hoogste responsiviteit vertoonde ten opzichte van FET's die slechts één van de componenten bevatten, produceert meer dan het dubbele van de hoeveelheid fotostroom als reactie op invallend licht.

"Er wordt meer licht overgebracht naar MoSe ₂ in de biotisch-abiotische hybride, " zei eerste auteur en onderzoeksmedewerker Mingxing Li, die samenwerkt met Cotlet in de CFN Soft and Bio Nanomaterials Group. "Verhoogde lichtoverdracht gecombineerd met de hoge mobiliteit van ladingdragers in MoSe ₂ betekent dat er meer dragers worden verzameld door de elektroden in een zonnecelapparaat. Deze combinatie is veelbelovend voor het verhogen van de efficiëntie van het apparaat."

De wetenschappers stelden voor dat het toevoegen van APC tussen QD's en MoSe2 een "trechterachtig" energieoverdrachtseffect creëert vanwege de manier waarop APC zichzelf bij voorkeur oriënteert ten opzichte van MoSe ₂ .

"Wij geloven dat deze studie een van de eerste demonstraties is van een gecascadeerde biotisch-abiotische nanohybride met een 2D-transitiemetaalhalfgeleider, " zei Li. "In een vervolgstudie, we zullen samenwerken met theoretici om het mechanisme dat ten grondslag ligt aan deze verbeterde energieoverdracht beter te begrijpen en de toepassingen ervan in het oogsten van energie en bio-elektronica te identificeren."