Binnen enkele jaren, mensen in afgelegen dorpen in ontwikkelingslanden kunnen misschien hun eigen zonnepanelen maken, tegen lage kosten, het gebruik van anders waardeloos landbouwafval als hun grondstof.

Dat is de visie van MIT-onderzoeker Andreas Mershin, wiens werk deze week in het open access tijdschrift verschijnt Wetenschappelijke rapporten . Het werk is een uitbreiding van een project dat acht jaar geleden is begonnen door Shuguang Zhang, een hoofdonderzoeker en associate director bij MIT's Center for Biomedical Engineering. Zhang was senior auteur van het nieuwe artikel, samen met Michael Graetzel van de Zwitserse École Polytechnique Fédérale de Lausanne.

In zijn oorspronkelijke werk Zhang was in staat om een ​​complex van moleculen in te schakelen dat bekend staat als fotosysteem-I (PS-I), de kleine structuren in plantencellen die fotosynthese uitvoeren. Zhang en collega's hebben de PS-I afgeleid van planten, stabiliseerde het chemisch en vormde een laag op een glassubstraat die - net als een conventionele fotovoltaïsche cel - een elektrische stroom kon produceren bij blootstelling aan licht.

Maar dat vroege systeem had enkele nadelen. Om het te assembleren en te stabiliseren waren dure chemicaliën en geavanceerde laboratoriumapparatuur nodig. Wat meer is, de resulterende zonnecel was zwak:de efficiëntie was enkele ordes van grootte te laag om van enig nut te zijn, wat betekent dat het moest worden gestraald met een krachtige laser om enige stroom te produceren.

Nu zegt Mershin dat het proces is vereenvoudigd tot het punt dat vrijwel elk laboratorium het kan repliceren - inclusief wetenschappelijke laboratoria op universiteiten of zelfs middelbare scholen - waardoor onderzoekers over de hele wereld het proces kunnen verkennen en verdere verbeteringen kunnen aanbrengen. De efficiëntie van het nieuwe systeem is 10, 000 keer groter dan in de vorige versie - hoewel bij het omzetten van slechts 0,1 procent van de energie van zonlicht in elektriciteit, het moet nog een tienvoudige verbetering ondergaan om bruikbaar te worden, hij zegt.

De sleutel tot het bereiken van deze enorme verbetering in efficiëntie, Mershin legt uit, was een manier aan het vinden om veel meer van het PS-I-complex per oppervlak van het apparaat aan de zon bloot te stellen. Het eerdere werk van Zhang produceerde eenvoudig een dunne platte laag van het materiaal; Mershin's inspiratie voor de nieuwe vooruitgang waren pijnbomen in een bos.

Mershin, een onderzoekswetenschapper in het MIT Center for Bits and Atoms, merkte op dat hoewel de meeste dennen kale stammen hadden en alleen aan de top een bladerdak van takken, een paar hadden kleine takken over de hele lengte van de stam, het opvangen van het zonlicht dat van boven naar beneden druppelde. Hij besloot een microscopisch bos op een chip te creëren, met PS-I die zijn "bomen" van boven naar beneden bedekt.

Om van dat inzicht een praktisch hulpmiddel te maken, was jaren werk nodig, maar uiteindelijk was Mershin in staat om een ​​klein bos van zinkoxide (ZnO) nanodraden te creëren, evenals een sponsachtige titaniumdioxide (TiO2) nanostructuur bedekt met het lichtverzamelende materiaal afkomstig van bacteriën. De nanodraden dienden niet alleen als ondersteunende structuur voor het materiaal, maar ook als draden om de stroom van elektronen gegenereerd door de moleculen naar de ondersteunende laag materiaal te dragen, van waaruit het kan worden aangesloten op een circuit. “Het is als een elektrisch nanobos, ' zegt hij.

Als bonus, zowel zinkoxide als titaniumdioxide - het belangrijkste ingrediënt in veel zonnebrandmiddelen - zijn erg goed in het absorberen van ultraviolet licht. Dat is in dit geval handig omdat ultraviolet de neiging heeft om PS-I te beschadigen, maar in deze constructies wordt dat schadelijke licht geabsorbeerd door de draagconstructie.

Mershin denkt dat, omdat hij en zijn collega's nu de toetredingsdrempel voor verder werk aan deze materialen hebben verlaagd, vooruitgang in de richting van verbetering van hun efficiëntie moet snel zijn. uiteindelijk, zodra de efficiëntie 1 of 2 procent bereikt, hij zegt, dat zal goed genoeg zijn om nuttig te zijn, omdat de ingrediënten zo goedkoop zijn en de verwerking zo eenvoudig.

“Je kunt alles wat groen is gebruiken, zelfs gemaaid gras” als grondstof, hij zegt - in sommige gevallen, afval dat mensen anders zouden betalen om weg te halen. Terwijl centrifuges werden gebruikt om de PS-I-moleculen te concentreren, het team heeft een manier voorgesteld om deze concentratie te bereiken door goedkope membranen voor filtratie te gebruiken. Er zijn geen speciale laboratoriumomstandigheden nodig, Mershin zegt:"Het kan erg vies zijn en het werkt nog steeds, vanwege de manier waarop de natuur het heeft ontworpen. De natuur werkt in vuile omgevingen - het is het resultaat van miljarden experimenten gedurende miljarden jaren.”

Omdat het systeem zo goedkoop en eenvoudig is, hij hoopt dat dit een "manier wordt om low-tech elektriciteit te krijgen voor mensen die nooit zijn gezien als consumenten of producenten van zonne-energietechnologie." Hij hoopt dat de instructies voor het maken van een zonnecel eenvoudig genoeg zullen zijn om te worden teruggebracht tot “een vel cartoon-instructies, zonder woorden.” Het enige ingrediënt dat moet worden gekocht, zijn chemicaliën om de PS-I-moleculen te stabiliseren, die goedkoop in een plastic zak kon worden verpakt.

Eigenlijk, Mershin zegt, binnen een paar jaar een dorpeling in een afgelegen, off-grid locatie zou "die tas kunnen nemen, meng het met alles wat groen is en schilder het op het dak” om stroom te gaan produceren, die vervolgens mobiele telefoons of lantaarns konden opladen. Vandaag, de meest gebruikte lichtbron op dergelijke locaties zijn kerosinelantaarns - "de duurste, meest ongezonde” vorm van verlichting die er is, hij zegt. “Nachtverlichting is dé manier om uit de armoede te komen, " voegt hij eraan toe, omdat het mensen die de hele dag op het land werken in staat stelt om 's avonds te lezen en een opleiding te volgen.

Babak Parviz, een universitair hoofddocent elektrotechniek aan de Universiteit van Washington, gespecialiseerd in bionanotechnologie, zegt dat dit "een zeer opwindend artikel is en een zeer mooie stap in de richting van de integratie van biomoleculen voor het bouwen van zonnecellen. Dit toont een veelbelovende en creatieve eerste stap in de richting van het bouwen van organische fotovoltaïsche cellen die gebruik kunnen maken van biologisch (natuurlijk) geproduceerde kernen.” Hij voegt eraan toe dat hoewel het huidige systeem nog verder moet worden ontwikkeld, “further work in the field can perhaps improve the stability and performance of these devices.”

The research was funded in part by an unrestricted grant from Intel Corp., and also included researchers at the University of Tennessee.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.