Самый эффективный биогибридный фотоэлемент на основе шпината
Шпинат дал ток
Григорий Колпаков, «Газета.Ру»
Во второй раз за этот год ученые подтверждают правоту моряка Папайи, диснеевского героя, считавшего шпинат самым полезным продуктом в мире. Но если недавно шведскими биологами было доказано, что шпинат действительно увеличивает мышечную силу, то теперь эта трава показала себя с совершенно неожиданной стороны. С ее помощью химики США из Университета Вандербильта сумели создать фотоэлемент, который превращает свет в электричество намного эффективнее существующих «биогибридных» устройств сходного типа.
В последнем номере журнала Advanced Materials исследователи рассказывают, что им удалось создать «биогибридный» солнечный элемент, соединив кремний и белок шпината, участвующий в фотосинтезе (LeBlanc et al., Enhanced Photocurrents of Photosystem I Films on p-Doped Silicon). Белок называется PS1 и он действительно уникален. Открыт он был более сорока лет назад и сразу привлек к себе внимание тем, что, даже будучи изолирован, продолжает превращать солнечный свет в электрическую энергию, причем делает это почти со стопроцентным КПД. Напомним, что даже сегодня КПД самых продвинутых фотоэлементов не превышает 40 процентов. Дополнительным преимуществом фотоэлементов на основе PS1 была их дешевизна: для их изготовления не потребовались бы такие дорогостоящие материалы, как платина или индий.
Поэтому именно тогда, сорок лет назад во многих лабораториях мира и начались первые попытки использовать белок PS1 для получения электричества. Проблема оказалась не из легких, так как в качестве фотоэлемента PS1 не выдерживал критики. Во-первых, получаемое с его помощью электричество сильно уступало в мощности коммерческим фотоэлементам. Во-вторых, белок распадался уже через пару недель работы. Правда, с этой второй проблемой группе из Университета Вандербильта удалось частично справиться еще в 2010-м году – тогда им удалось создать «шпинатовую» солнечную батарею, способную работать до девяти месяцев. По словам Дэвида Клиффела, одного из главных авторов статьи в Advanced Materials, они никогда не сомневались, что можно достигнуть с куда более впечатляющим сроком службы, надо только следовать за природой. «Природа очень хорошо знает, как это сделать, - говорит он. – В вечнозеленых растениях такой белок живет годами, и нам остается только понять, как это делается».
И наконец произошел прорыв – вандербильтовской группе удалось наладить контакт PS1 с кремнием до такой степени, что уже появилась возможность говорить о коммерческом будущем новой солнечной батареи. «Эта комбинация производит ток, почти в тысячу раз превышающий то, что нам удавалось получать, соединяя этот белок с различными металлами.
Она также создает несколько большее напряжение», объясняет Клиффелл. Иначе говоря, новый «шпинатовый» фотоэлемент позволил снимать с одного квадратного сантиметра ток величиной 850 микроампер при напряжении 0,3 вольта.
Секрет успеха заключается в присадках, меняющих электрические свойства кремниевой подложки. Выяснилось, что PS1 предпочитает кремний, поверхность которого заряжена положительно.
Чтобы создать из этой комбинации солнечную батарею, ученые выделяли белок из листьев шпината, растворяли его в воде и обливали этим раствором кремниевую подложку. Затем они помещали ее в вакуумную камеру, где вода испарялась, оставляя на поверхности кремния тонкую белковую пленку. Методом проб и ошибок было выяснено, что оптимальная толщина этой пленки должна составлять около микрона.
PS1 встречается не только в шпинате. Это универсальный протеин, и его шпинатовое происхождение в известной мере случайно. Группа Клиффела, например, уже планирует поэкспериментировать с PS1, выделенным из растения кудзу.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
07.09.2012