(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van het MIT hebben een manier gevonden om de energieconversie-efficiëntie van zonnecellen aanzienlijk te verbeteren door de hulp in te roepen van kleine virussen om gedetailleerd montagewerk op microscopisch niveau uit te voeren.

In een zonnecel, zonlicht valt op een licht oogstend materiaal, waardoor het elektronen vrijgeeft die kunnen worden gebruikt om een ​​elektrische stroom te produceren. Het nieuwe MIT-onderzoek, deze week online gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , is gebaseerd op bevindingen dat koolstofnanobuisjes — microscopisch, holle cilinders van pure koolstof - kunnen de efficiëntie van het verzamelen van elektronen van het oppervlak van een zonnecel verbeteren.

Eerdere pogingen om de nanobuisjes te gebruiken, echter, werd gedwarsboomd door twee problemen. Eerst, het maken van koolstofnanobuisjes produceert over het algemeen een mix van twee soorten, waarvan sommige fungeren als halfgeleiders (waardoor soms een elektrische stroom kan vloeien, soms niet) of metalen (die werken als draden, waardoor de stroom gemakkelijk kan stromen). Het nieuwe onderzoek, Voor de eerste keer, toonde aan dat de effecten van deze twee typen vaak verschillend zijn, omdat de halfgeleidende nanobuisjes de prestaties van zonnecellen kunnen verbeteren, maar de metalen hebben het tegenovergestelde effect. Tweede, nanobuisjes hebben de neiging om samen te klonteren, wat hun effectiviteit vermindert.

En dat is waar virussen te hulp komen. Afgestudeerde studenten Xiangnan Dang en Hyunjung Yi — werkend met Angela Belcher, de W. M. Keck hoogleraar energie, en verschillende andere onderzoekers - ontdekten dat een genetisch gemanipuleerde versie van een virus genaamd M13, die normaal gesproken bacteriën infecteert, kan worden gebruikt om de opstelling van de nanobuisjes op een oppervlak te regelen, de buizen gescheiden houden zodat ze de circuits niet kunnen kortsluiten, en de buizen uit elkaar te houden zodat ze niet klonteren.

Het systeem dat de onderzoekers testten, maakte gebruik van een type zonnecel dat bekend staat als kleurstofgevoelige zonnecellen. een lichtgewicht en goedkoop type waarbij de actieve laag is samengesteld uit titaniumdioxide, in plaats van het silicium dat in conventionele zonnecellen wordt gebruikt. Maar dezelfde techniek kan ook op andere typen worden toegepast, inclusief quantum-dot en organische zonnecellen, zeggen de onderzoekers. In hun testen, het toevoegen van de door virussen gebouwde structuren verbeterde de efficiëntie van de stroomconversie van 8 procent naar 10,6 procent - bijna een derde verbetering.

Deze dramatische verbetering vindt plaats, hoewel de virussen en de nanobuisjes slechts 0,1 procent van het gewicht van de uiteindelijke cel uitmaken. “Met een beetje biologie kom je een heel eind, ', zegt Belcher. Met verder werk, de onderzoekers denken de efficiëntie nog verder op te voeren.

De virussen worden gebruikt om een ​​bepaalde stap in het proces van het omzetten van zonlicht in elektriciteit te helpen verbeteren. In een zonnecel, de eerste stap is dat de energie van het licht elektronen losmaakt van het zonnecelmateriaal (meestal silicium); dan, die elektronen moeten naar een collector worden geleid, waaruit ze een stroom kunnen vormen die vloeit om een ​​batterij op te laden of een apparaat van stroom te voorzien. Daarna, ze keren terug naar het oorspronkelijke materiaal, waar de cyclus opnieuw kan beginnen. Het nieuwe systeem is bedoeld om de efficiëntie van de tweede stap te verbeteren, de elektronen helpen hun weg te vinden:het toevoegen van de koolstofnanobuisjes aan de cel "biedt een directer pad naar de stroomcollector, ', zegt Belcher.

De virussen voeren in dit proces eigenlijk twee verschillende functies uit. Eerst, ze bezitten korte eiwitten die peptiden worden genoemd en die stevig kunnen binden aan de koolstofnanobuisjes, ze op hun plaats houden en van elkaar gescheiden houden. Elk virus kan vijf tot tien nanobuisjes bevatten, die elk stevig op hun plaats worden gehouden door ongeveer 300 van de peptidemoleculen van het virus. In aanvulling, het virus is ontwikkeld om een ​​coating van titaniumdioxide (TiO2) te produceren, een belangrijk ingrediënt voor kleurstofgevoelige zonnecellen, over elk van de nanobuisjes, door het titaniumdioxide in de buurt van de draadachtige nanobuisjes te plaatsen die de elektronen dragen.

De twee functies worden achtereenvolgens uitgevoerd door hetzelfde virus, wiens activiteit wordt "overgeschakeld" van de ene functie naar de andere door de zuurgraad van zijn omgeving te veranderen. Deze schakelfunctie is een belangrijke nieuwe mogelijkheid die voor het eerst in dit onderzoek is aangetoond, zegt Belcher.

In aanvulling, de virussen maken de nanobuisjes oplosbaar in water, waardoor het mogelijk is om de nanobuisjes in de zonnecel in te bouwen via een proces op waterbasis dat werkt bij kamertemperatuur.

Prashant Kamat, een professor in de chemie en biochemie aan de Notre Dame University die uitgebreid werk heeft verricht aan kleurstofgevoelige zonnecellen, zegt dat terwijl anderen hebben geprobeerd koolstofnanobuisjes te gebruiken om de efficiëntie van zonnecellen te verbeteren, “de verbeteringen die in eerdere studies werden waargenomen waren marginaal, ” terwijl de verbeteringen door het MIT-team met behulp van de virusassemblagemethode “indrukwekkend” zijn.

“Het is waarschijnlijk dat de virustemplate-assemblage de onderzoekers in staat heeft gesteld om een ​​beter contact tussen de TiO2-nanodeeltjes en koolstofnanobuisjes tot stand te brengen. Zo'n nauw contact met TiO2-nanodeeltjes is essentieel om de door foto gegenereerde elektronen snel weg te jagen en efficiënt naar het oppervlak van de verzamelelektrode te transporteren."

Kamat denkt dat het proces wel eens kan leiden tot een levensvatbaar commercieel product:“In Japan zijn al kleurstofgevoelige zonnecellen gecommercialiseerd, Korea en Taiwan, ' zegt hij. Als de toevoeging van koolstofnanobuisjes via het virusproces hun efficiëntie kan verbeteren, "de industrie zal dergelijke processen waarschijnlijk overnemen."

Belcher en haar collega's hebben eerder verschillend ontwikkelde versies van hetzelfde virus gebruikt om de prestaties van batterijen en andere apparaten te verbeteren. maar de methode die wordt gebruikt om de prestaties van zonnecellen te verbeteren is heel anders, ze zegt.

Omdat het proces slechts één simpele stap zou toevoegen aan een standaard productieproces voor zonnecellen, het moet vrij eenvoudig zijn om bestaande productiefaciliteiten aan te passen en moet dus relatief snel kunnen worden geïmplementeerd, zegt Belcher.