Biosolar: использование природных солнечных батарей

Фотогальванические панели из растительного материала, могут стать дешевой, легкодоступной альтернативой традиционным солнечным батареям.

Через несколько лет люди в отдаленных деревнях развивающихся стран смогут сделать свои собственные солнечные панели, с низкой себестоимостью, используя сельскохозяйственные отходы в качестве сырья. Таково видение Andreas Mershin -исследователя Центра битов и атомов из Массачусетского технологического института.

Работа ученого – это продолжение проекта, начатого восемь лет назад ведущим научным сотрудником Центра Биоинженерии при Массачусетском технологическом институте Shuguang Zhang, который был первым автором проекта наряду с Michael Grätzel из швейцарского федерального института технологий Лозанны (École Polytechnique Fédérale de Lausanne). В свою оригинальную работу Zhang включил комплекс молекул – фотосистему-I (PS-I) – очень мелкие структуры внутри клеток растений, отвечающие за фотосинтез. Zhang с коллегами выделили PS-I из сине-зеленых водорослей, химически стабилизировали эту структуру и сформировали слой на стеклянной подложке, который может подобно обычному фотогальваническому элементу на свету производить электрический ток.

Но у этой системы были некоторые недостатки. Сборка и стабилизация потребовали дорогих химических веществ и сложного лабораторного оборудования. К тому же полученная солнечная батарея была слаба: ее эффективность оказалась ниже, чем обычно применяется на практике.

Теперь же, утверждает Mershin, процесс упрощен до такой степени, что фактически любая лаборатория может воссоздать его, позволяя ученым во всем мире начать исследовать процесс и делать дальнейшие усовершенствования. «Эффективность новой системы в 10 000 раз выше предыдущей версии, хотя в пересчете это только 0,1% энергии солнечного света к электричеству, поэтому она должна быть улучшена еще десятикратно, чтобы принести пользу», – говорит ученый.

Ключом к повышению эффективности, объясняет Mershin, стал бы способ, при котором можно было подвергнуть воздействию солнца намного большую площадь поверхности комплекса PS-I. В своей работе Zhang использовал тонкий плоский слой материала, а вдохновением Mershin для нового совершенствования стали… сосны в лесу.

Mershin заметил, что у большинства сосен были голые стволы, а полог ветвей – только на самом верху,  но у некоторых вдоль всего ствола сверху вниз располагались небольшие ветви, способные захватывать проникающий солнечный свет. Он решил создать такой микроскопический лес на чипе.

На воплощение этого понимания в практическое устройство ушли годы работы, но в результате Mershin смог создать крошечный лес нанопроводов из оксида цинка (ZnO), а также наноструктуру из диоксида титана (TiO₂) наподобие губки, покрытую светопоглощающим материалом, полученным из бактерий. Нанопровода служили не только поддерживающей структурой для материала, но, подобно обычным проводам, переносили поток электронов, произведенных молекулами, вниз к поддерживающему слою материала.  Также теперь их можно было соединить в цепь.

Оксид цинка и диоксид титана – главный компонент во многих солнцезащитных кремах – очень хорошо поглощают ультрафиолетовый свет. В данном случае это полезно, потому что ультрафиолет имеет тенденцию повреждать PS-I, но в этих системах разрушительный свет поглощается поддерживающей структурой.

Поскольку разработанная система настолько дешева и проста, ученый надеется, что иеперь это станет «способом получить низкотехнологичное электричество для людей, которые никогда не были потребителями или производителями технологий солнечной энергии». Он надеется, что инструкции для изготовления солнечной батареи будут достаточно просты, укорочены до «одного листа с рисунками, без слов». Единственный компонент, который необходимо приобрести, – химические вещества для стабилизирования PS-I молекул, упакованные в полиэтиленовый пакет.

По существу, – утверждает Mershin, – в последующие годы сельский житель из отдаленной местности сможет «взять такой пакет, смешать его с чем-либо зеленым (обрезки травы) и нанести на крышу», чтобы начать производить энергию, которая сможет заряжать сотовые телефоны или фонари. Сегодня в таких местностях широко используют керосиновые лампы, но «это самый дорогой, самый небезопасный для здоровья» источник света, – говорит он. «Ночное освещение – способ номер один, чтобы выйти из бедности», – добавляет он, потому что это позволит людям, которые работают весь день в полях, ночью читать и получать образование.

Babak Parviz, профессор электротехники в Вашингтонском университете, который специализируется на бионанотехнологиях, считает это исследование «очень хорошим шагом в объединении биомолекул для строительства солнечных батарей. Работа демонстрирует многообещающий прорыв в строительстве органических фотогальванических батарей». Хотя разработанная система еще нуждается в доработке, добавляет он, «дальнейшие исследования в этой области, возможно, помогут улучшить стабильность и производительность этих устройств».

По материалам интернет-порталов «NanoWiKi» и «Scientific Reports от 02 февраля 2012 г.»

Перевод Елена Михаленко