Een universiteit van Californië, De assistent-professor van Riverside heeft fotosynthese en natuurkunde gecombineerd om een ​​belangrijke ontdekking te doen die kan helpen zonnecellen efficiënter te maken. De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

Nathan Gabor is gefocust op experimentele fysica van de gecondenseerde materie, en gebruikt licht om de fundamentele wetten van de kwantummechanica te onderzoeken. Maar, hij raakte geïnteresseerd in fotosynthese toen in 2010 een vraag in zijn hoofd opkwam:waarom zijn planten groen? Hij ontdekte al snel dat niemand het echt weet.

Gedurende de afgelopen zes jaar, hij probeerde daar verandering in te brengen door zijn achtergrond in de natuurkunde te combineren met een diepe duik in de biologie.

Hij wilde de conversie van zonne-energie heroverwegen door de vraag te stellen:kunnen we materialen voor zonnecellen maken die de fluctuerende hoeveelheid energie van de zon efficiënter kunnen absorberen. Planten zijn geëvolueerd om dit te doen, maar de huidige betaalbare zonnecellen - die op zijn best 20 procent efficiënt zijn - beheersen deze plotselinge veranderingen in zonne-energie niet, zei Gabor. Dat levert veel energieverspilling op en helpt grootschalige adoptie van zonnecellen als energiebron te voorkomen.

Gabor, en verschillende andere UC Riverside-fysici, het probleem aangepakt door een nieuw type fotocel voor kwantumwarmtemotoren te ontwerpen, die helpt bij het manipuleren van de energiestroom in zonnecellen. Het ontwerp omvat een fotocel van een warmtemotor die fotonen van de zon absorbeert en de fotonenenergie omzet in elektriciteit.

Verrassend genoeg, de onderzoekers ontdekten dat de fotocel van de kwantumwarmtemotor de omzetting van zonne-energie kon regelen zonder actieve feedback of adaptieve controlemechanismen. In conventionele fotovoltaïsche technologie, die tegenwoordig op daken en zonneparken wordt gebruikt, fluctuaties in zonne-energie moeten worden onderdrukt door spanningsomvormers en feedbackcontrollers, die de algehele efficiëntie drastisch verminderen.

Het doel van de UC Riverside-teams was om de eenvoudigste fotocel te ontwerpen die de hoeveelheid zonne-energie van de zon zo dicht mogelijk bij de gemiddelde vraag naar stroom brengt en om energieschommelingen te onderdrukken om de accumulatie van overtollige energie te voorkomen.

De onderzoekers vergeleken de twee eenvoudigste kwantummechanische fotocelsystemen:een waarbij de fotocel slechts één kleur licht absorbeerde, en de andere waarin de fotocel twee kleuren absorbeerde. Ze ontdekten dat door simpelweg twee fotonabsorberende kanalen op te nemen, in plaats van slechts één, de regulering van de energiestroom ontstaat op natuurlijke wijze in de fotocel.

Het basiswerkingsprincipe is dat één kanaal absorbeert bij een golflengte waarvoor het gemiddelde ingangsvermogen hoog is, terwijl de andere absorbeert bij laag vermogen. De fotocel schakelt tussen hoog en laag vermogen om verschillende niveaus van zonne-energie om te zetten in een stabiele output.

Toen het team van Gabor deze eenvoudige modellen toepaste op het gemeten zonnespectrum op het aardoppervlak, ontdekten ze dat de absorptie van groen licht, het meest stralende deel van het zonne-energiespectrum per golflengte-eenheid, biedt geen regelgevend voordeel en moet daarom worden vermeden. Ze optimaliseerden systematisch de parameters van de fotocellen om fluctuaties in zonne-energie te verminderen, en ontdekte dat het absorptiespectrum bijna identiek lijkt aan het absorptiespectrum dat wordt waargenomen in fotosynthetische groene planten.

De bevindingen brachten de onderzoekers ertoe om voor te stellen dat natuurlijke regulering van energie die ze in de fotocel van de kwantumwarmtemotor vonden, een cruciale rol kan spelen in de fotosynthese in planten, misschien een verklaring voor het overwicht van groene planten op aarde.

Andere onderzoekers hebben onlangs ontdekt dat verschillende moleculaire structuren in planten, inclusief chlorofyl a en b moleculen, kan van cruciaal belang zijn bij het voorkomen van de ophoping van overtollige energie in planten, die hen zou kunnen doden. De UC Riverside-onderzoekers ontdekten dat de moleculaire structuur van de fotocel van de kwantumwarmtemotor die ze bestudeerden, sterk lijkt op de structuur van fotosynthetische moleculen die paren chlorofyl bevatten.

De hypothese van Gabor en zijn team is de eerste die de kwantummechanische structuur verbindt met de groenheid van planten, en biedt een duidelijke reeks tests voor onderzoekers die de natuurlijke regulatie willen verifiëren. Even belangrijk, hun ontwerp maakt regeling mogelijk zonder actieve input, een proces dat mogelijk wordt gemaakt door de kwantummechanische structuur van de fotocel.

Het artikel heet "Natuurlijke regulering van de energiestroom in een groene kwantumfotocel."