生物材料提高太阳能电池性能

大学公园,爸爸。-新一代太阳能电池模仿光合作用的生物材料可能赋予“绿色技术”新的含义。据一个国际研究小组称，在钙钛矿太阳能电池中添加蛋白质细菌或视紫红质(bR)在一系列实验室测试中提高了设备的效率。

“这些发现为开发一种更便宜、更环保的生物钙钛矿太阳能电池技术打开了大门，”宾州州立大学负责研究的副校长兼材料科学教授沙尚克·普里亚(Shashank Priya)说。“未来，我们可能会用相对便宜的天然材料来替代太阳能电池内部一些昂贵的化学物质。”

钙钛矿太阳能电池因其独特的晶体结构而得名，这种晶体结构擅长吸收可见光。由于它们提供了一种更高效、更便宜的替代传统硅基太阳能技术的方法，因此成为了一个备受关注的研究领域。

最有效的钙钛矿太阳能电池可以将22%到23%的阳光转化为电能。研究人员发现，在钙钛矿太阳能电池中添加bR蛋白可以将设备的效率从14.5%提高到17%。他们在美国化学学会杂志《ACS应用材料与界面》上发表了他们的发现。

这项研究是科学家们第一次证明在钙钛矿太阳能电池中添加生物材料可以提供高效率。研究人员说，未来的研究可能会产生更有效的生物钙钛矿材料。

“以前的研究已经通过在太阳能电池结构内混合特定的蛋白质达到了8%或9%的效率，”该研究的联合首席作者Priya说。“但没有一个接近17%。这些发现非常重要。”

据研究人员称，商用太阳能电池阵列由成百上千个独立的太阳能电池组成，因此即使是很小的效率提升也能带来真正的节约。

模仿自然

利用自然界，研究人员试图通过福斯特共振能量转移(FRET)进一步提高钙钛矿太阳能电池的性能。

美国东北大学和哈佛大学波士顿儿童医院的教授Renugopalakrishnan Venkatesan说:“FRET机制已经存在很长时间了。”“它似乎是光合作用的基础，可以在能量的无线传输等技术中找到，甚至在动物世界中作为一种交流机制。”我们正利用这一机制，试图创造一个生物系统的世界，有潜力超越无机或有机分子。”

bR蛋白和钙钛矿材料具有相似的电学性质或带隙。通过调整这些间隙，科学家们假设他们可以通过FRET机制在钙钛矿太阳能电池中获得更好的性能。

“太阳能电池的工作原理是吸收光能或光子分子，并产生电子-空穴对，”苏哈布拉塔·达斯(Subhabrata Das)说。“通过向相反的方向发射电子和空穴，太阳能电池产生的电流可以转化为电能。”

然而，一定比例的电子空穴对重新结合，减少了产生的电流。科学家们说，将bR蛋白混合到钙钛矿太阳能电池中，有助于电子空穴对更好地穿过设备，减少重组损失并提高效率。

研究人员表示，这些发现可能会产生更大的影响，从而设计出其他人工和生物材料协同工作的混合设备。

芬兰拉彭兰塔大学(University of Lappeenranta)教授贝尔纳多•巴尔比耶利尼(Bernardo Barbiellini)也是这项研究的联合首席作者。

来自宾夕法尼亚州立大学的还有副教授吴聪聪和材料科学与工程专业的研究生侯玉晨。这项研究的其他研究人员是托莱多大学的宋昭宁;德国奥尔登堡大学的Rainer Koch;哥伦比亚大学的Ponisseril Somasundaran。

空军科学研究办公室和美国能源部资助了这项研究。