Ученые создали солнечную панель из белка и квантовых точек
Ученые Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» разработали новый тип солнечной панели на основе гибридного материала из квантовых точек (КТ) и светочувствительного белка. Создатели считают, что у разработки большой потенциал в солнечной энергетике и оптических вычислениях.
Результаты исследования опубликованы в журнале Biosensors and Bioelectronics.
Принцип работы и преимущества белка
- Белок архей бактериородопсин способен преобразовывать энергию света в энергию химических связей (как хлорофилл у растений), действуя как протонный насос. Это делает его готовым природным элементом для солнечной панели.
- В отличие от хлорофилла, бактериородопсин работает без кислорода, что обеспечивает ему высокую химическую, термическую и оптическую стабильность.
- При перекачке протонов бактериородопсин меняет цвет за миллиардные доли секунды, что открывает перспективы для создания голографических процессоров.
Роль квантовых точек
Ученым МИФИ удалось значительно улучшить свойства бактериородопсина, связав его с квантовыми точками — полупроводниковыми наночастицами, которые могут:
- Концентрировать световую энергию в масштабе нанометров.
- Передавать её бактериородопсину без излучения света.
Ключевые достижения
- Создана высокоэффективная фоточувствительная ячейка, генерирующая электрический ток при очень слабом световом возбуждении.
- Квантовые точки поглощают свет в очень широком диапазоне энергий и могут «складывать» два низкоэнергетических фотона в один высокоэнергетический.
- Этот высокоэнергетический фотон не излучается, а передается бактериородопсину.
- В результате ячейка способна работать при облучении от ближнего инфракрасного до ультрафиолетового диапазона оптического спектра.
Технология создания
Исследователи использовали междисциплинарный подход:
- Квантовые точки синтезировали химическими методами.
- Их поверхность сделали биосовместимой и заряженной.
- Частицы связали с поверхностью пурпурных мембран Halobacterium salinarum, содержащих бактериородопсин.
- Эффективность передачи энергии возбуждения от КТ к белку в полученных гибридных комплексах достигла около 80%.
Перспективы
Результаты демонстрируют потенциал для создания высокоэффективных фотоэлементов на биологических структурах. Их можно использовать не только для солнечной энергетики, но и в оптических вычислениях. Ученые отмечают высокое качество биогибридного наноструктурированного материала и перспективу существенного повышения эффективности по сравнению с лучшими коммерческими образцами. Следующая цель — оптимизация структуры фоточувствительной ячейки.